中外科学家用“隐形”原子，开辟量子电动力学理论检验新方法

近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院与澳大利亚、加拿大科学家，合作实现了“隐形”原子幻零波长精密计算，开辟量子电动力学理论检验的新方法。

量子电动力学(QED)是描述粒子间电磁相互作用的基本物理理论，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。因此，自QED理论提出近80年以来，人们对QED理论的检验从未间断。迄今QED理论检验的方法有电子反常磁矩的精确确定，但较少有电子原子分子精密谱的研究。

此次，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的原子分子外场理论组研究员唐丽艳、副研究员张永慧等与澳大利亚国立大学、加拿大温莎大学合作，实现了氦原子413nm（纳米）幻零波长的精确计算和精密测量，开辟了“隐形”原子幻零波长精密测量检验QED理论的新途径。相关研究成果发表在《科学》(Science)期刊。

图片来自《科学》(Science)

不同于检验QED理论的传统能谱测量方法，此次研究采用“隐形”原子的幻零波长对QED进行检验。幻零波长指当激光波长调制到特定的频率时，原子单个能态的斯塔克频移为零，原子在激光场中就如隐形一般。

前述中外团队通过改变磁阱中氦原子玻色爱因斯坦凝聚体的空间振荡频率，来测量光学偶极势的新方法，同时结合高精度原子结构理论计算，实现了在三百万分之一水平上对QED理论的新检验。澳大利亚国立大学K.Baldwin实验组完成了幻零波长实验测量工作，中科院精密测量院团队和温莎大学教授G.W.F.Drake负责理论计算工作。

实验方案，图片来自中国科学院精密测量科学与技术创新研究院

利用幻零波长检验原子QED理论的方案，最早由唐丽艳和澳大利亚查尔斯达尔文大学J.Mitroy教授在2013年从理论方面提出。2015年，澳大利亚国立大学K.Baldwin实验小组与理论团队合作实现了氦原子幻零波长5ppm（ppm为10的负六次方，即百万分之一）精度下的实验测量。当时的实验测量与理论预言之间存在134ppm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0.1ppm水平的理论预言，为新一轮国际合作起到推进作用。

自2019年，理论与实验团队再度合作。此次，研究人员利用最灵敏的测量光偶极势的方法识别出只有10的负35次方焦耳(J)的峰值势能，实现了“隐形”氦原子幻零波长精度高达0.35ppm的实验测定，测量精度较2015年实验提高20倍。同时，理论上精确计算了延迟效应和磁化率对幻零波长的修正，精度达10ppb（ppb为10的负9次方，即十亿分之一）水平。通过实验测量与理论计算相比较，证实幻零波长对QED修正和延迟效应的敏感性，印证了唐丽艳和J.Mitroy提出的理论预言。

实验不确定度与理论计算误差的对比，以及理论计算中各项修正的贡献，图片来自中国科学院精密测量科学与技术创新研究院

未来，前述实验测量精度有望提高一个数量级，达到30ppb水平。在此精度下，一方面可以拓宽人们对于QED理论的认知，另一方面可能探测到原子核的相关效应，为从“隐形”原子角度探究核结构性质开辟了新的研究窗口。

标签：