"Наши эксперименты с мюонным гелием-3 дают наиболее точное на сегодняшний день значение зарядового радиуса этого ядра", - говорит Рэндольф Пол, который также является членом кластера передового опыта PRISMA⁺ в JGU. "Это происходит прежде всего потому, что тяжелый мюон вращается гораздо ближе к атомному ядру, чем электроны в обычных атомах, что делает его гораздо более чувствительным к размеру и структуре ядра". Ядра гелия всегда состоят из двух протонов - это то, что определяет их как гелий. Различные изотопы различаются по количеству нейтронов в ядре: гелий-3 содержит один нейтрон наряду с двумя протонами, в то время как более тяжелый гелий-4 содержит два нейтрона. Команда профессора Поля уже успешно измеряла содержание гелия-4 с помощью лазерной спектроскопии и мюонов несколько лет назад.

Измерение подтверждает теоретические модели

Традиционно ядерные радиусы определяются с помощью ускорителей частиц, таких как MAMI в JGU или, в будущем, MESA. Однако новое значение, полученное в результате измерений мюонного гелия, в пятнадцать раз точнее и составляет 1,97007 ± 0,00097 фемтометра. Лазерная спектроскопия с использованием электронов ранее успешно применялась к самым легким атомным ядрам, таким как водород и дейтерий. Для гелия также существуют высокоточные измерения, но наличие двух электронов в атоме гелия усложняет теоретические расчеты, препятствуя точному определению ядерного радиуса только на основе таких измерений. Тем не менее, уже удалось определить разницу в зарядовых радиусах между различными изотопами гелия (ядрами с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов). Новые результаты измерений мюонного гелия хорошо согласуются с недавними экспериментами с обычным гелием, проведенными исследовательской группой в Амстердаме, которые также были опубликованы вчера в журнале Science.

"В сочетании с нашими более ранними результатами по мюонному гелию-4, которые были опубликованы в Nature в 2021 году, мы теперь смогли точно определить разницу в радиусах заряда между гелием-3 и гелием-4 - важный шаг вперед", - говорит Пол.

Тесное взаимодействие теории и эксперимента в кластере передового опыта PRISMA⁺

Сильное совпадение между измерениями, проведенными командами из Майнца и Амстердама, подтверждает существующие знания о ядерной физике самых легких атомных ядер. Эти знания частично основаны на ключевых теоретических расчетах структуры ядра, также выполненных в рамках кластера передового опыта PRISMA⁺.

Команда профессора Сони Бакки рассчитала влияние мюона на структуру ядра гелия, в то время как профессор Марк Вандерхеген и доктор Франциска Хагельштейн исследовали роль протонов и нейтронов. Эти теоретические основы позволили извлечь достоверную информацию об атомном ядре из точных экспериментальных данных.

"Точное знание радиусов ядерных зарядов необходимо для определения фундаментальных физических констант, таких как постоянная Ридберга", - объясняет Пол. "Это также имеет решающее значение для поиска новой физики - частиц и взаимодействий, еще не включенных в стандартную модель. Ранее отсутствие точных данных в этой области вносило значительную неопределенность."

Планируется точное измерение дополнительных атомных ядер

Забегая вперед, команда физиков-экспериментаторов и теоретиков из Майнца планирует применить свои методы к другим атомным ядрам - от лития до неона - с точностью, в десять раз превышающей точность методов, основанных на ускорителях частиц. Вместо лазеров они будут использовать инновационные рентгеновские детекторы. Эта работа, как и предыдущие эксперименты, проведенные группой Пола, поддерживается Немецким исследовательским фондом (DFG) в рамках Совместного исследовательского центра 1660 при JGU.