氦原子是最基本的多電子原子，基于量子電動(dòng)力學(xué)(QED)理論的全量子計(jì)算方法可以僅僅從基本物理常數(shù)出發(fā)，得到其高精度的能級(jí)結(jié)構(gòu)。4He原子23PJ能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，對(duì)QED中最基本的物理常數(shù)——精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α(≈1/137)最為敏感，其實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論結(jié)果的對(duì)比，對(duì)于檢驗(yàn)QED理論和α常數(shù)十分理想。同時(shí)，理論上，由于4He原子受氦原子核有限尺寸大小的影響，其能級(jí)將會(huì)發(fā)生偏移，通過(guò)精確測(cè)量2S-2P能級(jí)躍遷的頻率，即可推算出氦原子核電荷半徑信息。

該課題組在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)搭建了一套氦原子束精密光譜測(cè)量裝置。利用所產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)氦原子束流，結(jié)合激光冷卻原子技術(shù)大幅提高其亮度，并通過(guò)激光制備單量子態(tài)氦原子(23S1)，經(jīng)單頻激光激發(fā)其23S1-23PJ躍遷，最后基于單態(tài)選擇的原子探測(cè)以及光學(xué)頻率梳頻率精確測(cè)定，獲得高精度的躍遷頻率。

該實(shí)驗(yàn)測(cè)得4He原子2S-2P能級(jí)躍遷的中心頻率為276,736,495,600.0 ±0.45(stat) ±1.3(syst) kHz，是目前國(guó)際上最高精度的測(cè)量結(jié)果。項(xiàng)目合作者、國(guó)際少體原子分子精密譜理論方面最著名的專家、波蘭華沙大學(xué)的K. Pachucki教授認(rèn)為目前該實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已經(jīng)可以滿足測(cè)量氦核半徑到千分之一精度的需要，未來(lái)通過(guò)和μ-氦原子測(cè)量得到的核電荷半徑結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，將可能被用來(lái)檢驗(yàn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。另一方面，關(guān)于氦-4與氦-3原子核電荷半徑差，近20年來(lái)的多個(gè)研究結(jié)果并不符合，至今原因不明。本次測(cè)量的結(jié)果發(fā)現(xiàn)和前人實(shí)驗(yàn)之間存在著一個(gè)20倍標(biāo)準(zhǔn)差的頻率偏差，這極有可能是該核電荷半徑差偏差問(wèn)題的原因。

該系列工作得到了中科院精密測(cè)量先導(dǎo)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、量子信息和量子物理協(xié)同創(chuàng)新中心、能源化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的持續(xù)支持。