“隐形”氦原子为基本物理理论检验开辟新途径

近日，中国科学院精密测量院与澳大利亚、加拿大两国的研究团队合作，实现了迄今最灵敏的测量光偶极势的方法，通过氦原子的精确计算和精密测量，在三百万分之一水平上验证了量子电动力学（QED）这一基本物理理论。相关研究成果4月8日在《科学》杂志发表。

“氦原子幻零波长检验QED的新方案最初由理论提出，后推动实验测量，自2013年至今，理论与实验开始了一场你追我赶、交替向前、多次融合的‘学术赛跑旅程’。”论文通讯作者之一、精密测量院研究员唐丽艳谈到。

一场从理论到实验的学术赛跑

量子电动力学是描述光与物质相互作用的基本物理理论，也是支撑现代物理学发展的基石。对QED理论的严格检验有助于确定基本物理常数、探究原子核相关性质、以及探索超越标准模型以外的新物理。近80年来，科学家对这一理论的检验从未间断。

此前，QED理论检验主要通过电子反常磁矩的精确确定、少电子原子分子精密谱研究等方法。2013年，澳大利亚查尔斯达尔文大学教授吉米·米特里和唐丽艳首次从理论上提出“利用氦原子幻零波长检验QED理论”的新方案。

所谓幻零波长，是指当激光调到特定的频率时，原子单个能态的斯塔克频移为零，唐丽艳解释道，此时“原子感受不到电场的作用”，这样“原子在激光场中就像‘隐形’了一样”。

在理论方案提出后，中方研究人员与澳、加两国研究团队合作，一方面开展高精度的实验测量，另一方面继续提高理论计算精度。

近十年磨一剑  新方法终被验证

2015年，澳大利亚国立大学肯·鲍德温实验小组与理论合作实现了氦原子幻零波长百万分之五精度下的实验测量。但这一结果与早期理论预言之间存在较大差异。为了揭示这一差异，理论团队自主发展了系列高精度的原子结构计算方法，实现了精度为千万分之一水平的理论预言，为新一轮的国际合作起到了积极的推进作用。

在前期研究基础上，自2019年起团队持续展开合作研究，利用最灵敏的测量光偶极势的方法，实现了“隐形”氦原子幻零波长精度达三百万分之一的实验测定，较2015年的实验测量精度提高了20倍。在理论研究上，科研人员精确计算了延迟效应和磁化率对幻零波长的修正，实现了幻零波长精度达一亿分之一水平的理论预言。

实验测量与理论计算相比较证实幻零波长对量子电动力学修正和延迟效应的敏感性，印证了唐丽艳和国外学者最早提出的理论预言。

唐丽艳表示，未来，实验测量精度有望提高一个数量级，“在此精度下，一方面可以拓宽人们对量子电动力学理论的认知，另一方面可能探测到原子核的相关效应，这为从‘隐形’原子角度探究核结构性质开辟新的研究窗口。”

“要不断挑战和检验描述自然规律的基本物理理论，这是增进我们对自然界认知的最好方法之一。”《科学》杂志副主编尤里·苏莱曼诺夫（Yury Suleymanov）评价认为，该工作实验和理论的高精度不仅可以检验量子电动力学理论，同时也帮助科研人员探究了前期研究中忽略的物理效应，特别是该工作在QED理论检验方案的多元化中迈出了重要的一步。

该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院先导专项项目的资助。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.abk2502