高精度激光光谱揭示13C核电荷半径：破解质子半径谜题与核结构理论的新窗口

为破解核物理中著名的质子半径谜题（proton radius puzzle）并澄清碳同位素电荷半径的系统性差异，德国达姆施塔特工业大学（TU Darmstadt）的研究团队通过高精度激光光谱技术测量了13C4+离子的超精细结构（hyperfine structure）。研究以优于2 MHz的精度测定了1s2s3S1→1s2p3PJ跃迁的中心频率（center-of-gravity），结合非相对论量子电动力学（NRQED）计算，首次将13C核电荷半径的不确定性降低6倍，并发现电子散射与μ子原子（muonic atom）结果间3σ的显著差异。这一成果为核结构理论提供了关键基准，推动了对轻核α团簇（α-cluster）演化的理解，并发表于《Nature Communications》。

　　在核物理的世界里，原子核的尺寸始终是一个核心谜题。质子半径谜题（proton radius puzzle）曾引发轩然大波——基于电子散射和普通氢原子激光光谱的测量结果，与μ子氢原子光谱所得质子尺寸存在7σ差异，这一矛盾虽部分缓解，但在氦（He）以外的轻核中仍悬而未决。碳作为元素周期表第二行的关键角色，其稳定同位素¹²C和¹³C的核电荷半径（nuclear charge radius）虽经电子散射与μ子原子光谱测定，却显示出微妙的不一致：¹²C的两种方法结果相差2.4σ，而¹³C的电子散射数据误差较大，无法澄清矛盾。更复杂的是，轻核（如碳）倾向于形成α团簇结构（α-cluster configuration），¹²C的稳定性和著名的霍伊尔态（Hoyle state）均依赖于此，但额外中子如何影响¹³C的尺寸尚无定论。理论计算虽通过价空间介质相似重整化群（VS-IMSRG）和介质无核壳模型（IM-NCSM）等从头算（ab initio）方法预测半径差异，却常高估实验值。这些谜团不仅关乎核力本质，还涉及恒星核合成过程，亟需更高精度的实验数据破局。

为解答这些问题，德国达姆施塔特工业大学（TU Darmstadt）的研究团队设计了一项创新实验，利用氦（He）样¹³C⁴⁺离子的激光光谱技术突破传统局限。研究人员通过电子束离子源（EBIS）产生能量为50 keV的¹³C⁴⁺离子束，激发其亚稳态1s2s³S₁并探测1s2s³S₁→1s2p³P_0,1,2跃迁。关键技术包括：（1）采用频率梳（frequency comb）锁定钛宝石（Ti:sapphire）激光器，在共线（collinear）和反共线（anticollinear）方向交替扫描，通过多普勒调谐（Doppler tuning）消除速度误差；（2）测量所有9个超精细分量（hyperfine components），利用几何平均频率公式ν₀ = √(ν_cν_a) - hν_cν_a/2mc²校正光子反冲（photon recoil）；（3）结合COALA（COllinear Apparatus for Laser Spectroscopy）装置的荧光探测区域（FDR），实现150 MHz线宽的高分辨率光谱。样本使用¹³C富集甲烷气体（¹³CH₄），确保离子纯度。

结果：超精细结构测量与半径提取

通过精确拟合所有超精细分量（表1），团队发现二阶超精细效应（second-order hyperfine effects）导致单个谱线偏移数GH