揭开氢原子和质子大小之谜！
氢原子在量子物理和计量学中具有极其重要的意义。氢的电离能是击出氢原子中唯一电子所需的最小能量，其大小与Rydberg常数（里德伯常量）有关。根据第一性原理可以准确地计算出质子和电子的两体性质。氢原子跃迁频率的精确测量可用于验证原子结构理论（即相对论量子力学和量子电动力学）的有效性，并确定Rydberg常数R∞和质子电荷半径rp等物理常数。R∞和rp的值主要由主量子数n高达12的1S和2S能级到nS、P和D能级的跃迁频率定义。然而在2010年，研究人员发现rp在μ氢中2S–2P区间的测量值比之前确定的标准值（CODATA 2010）低7σ。这一发现成为了“质子大小之谜”的起源。尽管在CODATA 2018调整中，人们基于对H和μH中多个结果的评估，对R∞和rp进行了修订，但仍存在一些偏差和不一致之处。到目前为止，所有跃迁现象的高精度测量都涉及长寿命1S和/或2S能级。这两种质子穿透态的能量对rp很敏感，这导致了R∞和rp之间的相关性，并成为质子大小之谜的核心。解决这个难题的一个可能途径是测量涉及质子非穿透的高阶能级Rydberg态的跃迁并确定R∞；这是因为这些跃迁也是长寿命的，但对rp不敏感。涉及高阶能级的光学跃迁受到其对杂散场的敏感性的影响，迄今为止尚未被考虑。
近日，苏黎世瑞士联邦理工学院Simon Scheidegger和Frédéric Merkt通过电场控制氢原子，将氢中的电子激发到其高度激发的能级，提高了电子的稳定性，并精确测量电子从低能级跃迁到高激发能级时吸收的能量，得出对Rydberg常数的高度精确估计。该方法能够在远离质子的地方，规避质子大小带来的不确定性来确定Rydberg常数。该工作报道了主量子数n在20到30之间的氢原子Rydberg常数的精确测量值。该工作以题为“Precision-Spectroscopic Determination of the Binding Energy of a Two-Body Quantum System: The Hydrogen Atom and the Proton-Size Puzzle”的论文发表在最新一期《Physical Review Letters》上，并被《Nature》亮点报道。
实验装置实验装置如图1所示。实验测量是在25 Hz的重复频率下进行的，氢原子的脉冲双掠超声速束由配备有介质阻挡放电的低温脉冲阀产生。其横向速度分布（vx，vy）对应于40μK的温度，通过在40 K和160 K之间改变阀门温度，可以将平均光束速度从1000 ms-1调整到1700 ms-1。在磁屏蔽光激发区中，氢的Rydberg态是通过两步过程获得的。首先，超精细分辨的2S–1S双光子跃迁是由连续工作在729 nm的钛宝石环形激光器的243 nm输出脉冲放大和倍频激发。然后，在经过4厘米长的距离后，通过可调谐单模（带宽≤1 kHz）、线性偏振UV激光器（λ=368 nm），在有意施加的强度为F的均匀电场中，将长寿命的2S原子激发为Rydberg-Stark态，在该距离上，2S–1S激发期间产生的离子被施加的电场排斥。紫外线激光相对于超声波束以近乎正交的配置传播，具有可调节的错位角δα（图1右下角）。紫外线激光器通过光纤被引入到真空室中。离开光纤的发散光束用四个透镜的像差补偿组进行准直。
图1. 实验装置的示意图，真空室包括超声束源和光激发区域（左）以及激光系统的主要部件（右）。
实验结果
在光束速度介于1000和1700 ms-1之间、δα介于0.1和0.06°之间以及电场强度F介于0.4和1.6 Vcm-1之间的情况下，作者记录了525个从2S（0；1）到Stark态（n=20和24）的跃迁光谱。图2展示了跃迁的光谱（黑点）和拟合后计算的光谱。实验结果表明，Stark位移很小，对R∞的精确值不敏感。
图2. 从H的2S（1）态到斯塔克态的跃迁的光谱（黑点）和用从加权最小二乘拟合获得的线形参数计算的光谱（蓝线）。
作者在图3中将这项工作中获得的R∞值（水平蓝线）与先前报道的n=27-30圆形Rydberg态之间跃迁的毫米波光谱确定的值、2010年基本常数修订标准中建议的cR∞值和最新CODATA评估中获得的cR∞值进行了比较，其中包括μ介子氢中的Lamb位移测量。先前报告的cR∞值与两个CODATA值都兼容，而本工作给出的cR的结果比CODATA 2018值低1.3σ，比CODATA 2010值低4.5σ。将本工作的测量值与参考文献中的rp值相结合，可给出3 289 841 960 214（22）kHz的cR∞值（图3中的蓝色点）。
先前的研究认为，μ氢中的2S–2P3/2跃迁几乎只对质子均方根电荷半径rp敏感，而对R∞不敏感，而本文的测量与参考文献的测量相结合时，几乎只对R∞敏感，对rp不敏感。因此，这两种测定与R∞和rp之间的相关性无关，R∞和rp影响了大多数基于氢原子跃迁的过程量的测定。本结果的意义在于，它们是从氢原子的光谱中获得的，并通过R∞值间接证实了μ氢实验中获得的rp值。因此，图3中的差异不能归因于控制氢和μ氢性质的物理定律中超出标准模型的差异。作者认为，可以更进一步采用图3中橙色点给出的（R∞；rp）值，并通过组合氢原子中的2S–1S跃迁和μ氢中的Lamb位移的测量结果获得更精确的结果。
图3. 氢原子中跃迁频率（R∞，rp）值的散点图。
小结
该工作通过电场控制氢原子，将氢中的电子激发到其高度激发的能级，提高了电子的稳定性，并精确测量电子从低能级跃迁到高激发能级时吸收的能量，得出对Rydberg常数的高度精确估计。该方法能够在远离质子的地方，规避质子大小带来的不确定性来确定Rydberg常数。该工作报道了主量子数n在20到30之间的氢原子Rydberg常数的精确测量值。
来源：高分子科学前沿