“隱形”氦原子為基本物理理論檢驗開辟新途徑

近日，中國科學院精密測量院與澳大利亞、加拿大兩國的研究團隊合作，實現了迄今最靈敏的測量光偶極勢的方法，通過氦原子的精確計算和精密測量，在三百萬分之一水平上驗證了量子電動力學（QED）這一基本物理理論。相關研究成果4月8日在《科學》雜志發表。

“氦原子幻零波長檢驗QED的新方案最初由理論提出，后推動實驗測量，自2013年至今，理論與實驗開始了一場你追我趕、交替向前、多次融合的‘學術賽跑旅程’。”論文通訊作者之一、精密測量院研究員唐麗艷談到。

一場從理論到實驗的學術賽跑

量子電動力學是描述光與物質相互作用的基本物理理論，也是支撐現代物理學發展的基石。對QED理論的嚴格檢驗有助于確定基本物理常數、探究原子核相關性質、以及探索超越標準模型以外的新物理。近80年來，科學家對這一理論的檢驗從未間斷。

此前，QED理論檢驗主要通過電子反常磁矩的精確確定、少電子原子分子精密譜研究等方法。2013年，澳大利亞查爾斯達爾文大學教授吉米·米特里和唐麗艷首次從理論上提出“利用氦原子幻零波長檢驗QED理論”的新方案。

所謂幻零波長，是指當激光調到特定的頻率時，原子單個能態的斯塔克頻移為零，唐麗艷解釋道，此時“原子感受不到電場的作用”，這樣“原子在激光場中就像‘隱形’了一樣”。

在理論方案提出后，中方研究人員與澳、加兩國研究團隊合作，一方面開展高精度的實驗測量，另一方面繼續提高理論計算精度。

近十年磨一劍  新方法終被驗證

2015年，澳大利亞國立大學肯·鮑德溫實驗小組與理論合作實現了氦原子幻零波長百萬分之五精度下的實驗測量。但這一結果與早期理論預言之間存在較大差異。為了揭示這一差異，理論團隊自主發展了系列高精度的原子結構計算方法，實現了精度為千萬分之一水平的理論預言，為新一輪的國際合作起到了積極的推進作用。

在前期研究基礎上，自2019年起團隊持續展開合作研究，利用最靈敏的測量光偶極勢的方法，實現了“隱形”氦原子幻零波長精度達三百萬分之一的實驗測定，較2015年的實驗測量精度提高了20倍。在理論研究上，科研人員精確計算了延遲效應和磁化率對幻零波長的修正，實現了幻零波長精度達一億分之一水平的理論預言。

實驗測量與理論計算相比較證實幻零波長對量子電動力學修正和延遲效應的敏感性，印證了唐麗艷和國外學者最早提出的理論預言。

唐麗艷表示，未來，實驗測量精度有望提高一個數量級，“在此精度下，一方面可以拓寬人們對量子電動力學理論的認知，另一方面可能探測到原子核的相關效應，這為從‘隱形’原子角度探究核結構性質開辟新的研究窗口。”

“要不斷挑戰和檢驗描述自然規律的基本物理理論，這是增進我們對自然界認知的最好方法之一。”《科學》雜志副主編尤里·蘇萊曼諾夫（Yury Suleymanov）評價認為，該工作實驗和理論的高精度不僅可以檢驗量子電動力學理論，同時也幫助科研人員探究了前期研究中忽略的物理效應，特別是該工作在QED理論檢驗方案的多元化中邁出了重要的一步。

該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、中科院先導專項項目的資助。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abk2502