氦原子是最基本的多電子原子，基于量子電動力學(QED)理論的全量子計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結構。4He原子23PJ能級的精細結構，對QED中最基本的物理常數(shù)——精細結構常數(shù)α(≈1/137)最為敏感，其實驗測量和理論結果的對比，對于檢驗QED理論和α常數(shù)十分理想。同時，理論上，由于4He原子受氦原子核有限尺寸大小的影響，其能級將會發(fā)生偏移，通過精確測量2S-2P能級躍遷的頻率，即可推算出氦原子核電荷半徑信息。

該課題組在中國科學技術大學搭建了一套氦原子束精密光譜測量裝置。利用所產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)氦原子束流，結合激光冷卻原子技術大幅提高其亮度，并通過激光制備單量子態(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)選擇的原子探測以及光學頻率梳頻率精確測定，獲得高精度的躍遷頻率。

該實驗測得4He原子2S-2P能級躍遷的中心頻率為276,736,495,600.0 ±0.45(stat) ±1.3(syst) kHz，是目前國際上最高精度的測量結果。項目合作者、國際少體原子分子精密譜理論方面最著名的專家、波蘭華沙大學的K. Pachucki教授認為目前該實驗結果，已經(jīng)可以滿足測量氦核半徑到千分之一精度的需要，未來通過和μ-氦原子測量得到的核電荷半徑結果進行比對，將可能被用來檢驗超越標準模型的新物理。另一方面，關于氦-4與氦-3原子核電荷半徑差，近20年來的多個研究結果并不符合，至今原因不明。本次測量的結果發(fā)現(xiàn)和前人實驗之間存在著一個20倍標準差的頻率偏差，這極有可能是該核電荷半徑差偏差問題的原因。

該系列工作得到了中科院精密測量先導計劃、國家自然科學基金委、量子信息和量子物理協(xié)同創(chuàng)新中心、能源化學協(xié)同創(chuàng)新中心的持續(xù)支持。