科研人员研究揭示后选择效应对氦原子光谱测量的影响

　　2月28日，中国科大激光痕量探测与精密测量研究团队在《科学进展》(Science Advances)上发表题为“Postseletion shifts the transition frequency of helium in an atomic beam”的最新研究成果。该研究揭示了量子力学后选择效应对氦原子光谱跃迁频率精密测量的显著影响。
 

　　后选择效应作为量子力学中的一种有趣现象，常被用来放大微弱信号以增强测量灵敏度。然而，该研究团队发现，在精密光谱测量中，这一效应也会引入显著的系统性偏差。研究团队利用近期发展的原子束实验新方法(温金录等，Phys. Rev. A107: 042811, 2023编辑推荐论文)，通过对氦-4原子(4He)的23S−23P跃迁频率进行精密测量，发现不同实验数据分析方法导致跃迁频率的明显偏移，偏移量超过测量统计误差的50倍。这一现象源于原子束实验中采用狭缝选择特定动量原子的检测方式，使得后选择效应被引入测量过程。
 

　　
       通过进一步的实验设计和理论分析，研究团队成功消除了后选择效应对测量结果的影响，获得了氦原子23S1−23P0跃迁频率的精确值276,764,094,712.45±0.86kHz。基于该结果和文献中已有的3He原子光谱数据，研究团队得到了3He-4He核电荷半径差。值得注意的是，普通氦原子(氦原子核及两个电子构成)光谱测量得到的3He和4He原子核电荷半径平方差与缪氦离子(氦原子核与一个μ子结合形成)光谱测量得到的结果之间存在约2.6倍标准差的差异，这一发现对验证量子电动力学中轻子普适性和探索新物理具有重要的意义。
 

　　该研究成果不仅为氦原子光谱测量精度的提升提供了新的视角，也为氢原子、里德伯态光谱测量及氦离子实验等其它精密测量中可能存在的后选择效应提供了重要的参考。该工作指出，尽管后选择效应常常被用来提升对微弱信号的灵敏度，但在高精密测量中必须谨慎处理，以避免引入系统性误差。
 

　　中国科学技术大学研究生温金录、唐家栋、博士后吕亚男为该论文共同第一作者，中国科学技术大学胡水明教授、邹长铃教授、深圳综合粒子设施研究院孙羽研究员为论文共同通讯作者。本工作受到了国家量子科技创新、国家自然科学基金、中国科学院先导专项、中央高校基本科研业务费专项资金的资助。