Pré-Publication, Document De Travail Année : 2025

The helion charge radius from laser spectroscopy of muonic helium-3 ions

Karsten Schuhmann
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Luis M.P Fernandes
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Marwan Abdou Ahmed
Fernando D Amaro
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Pedro Amaro
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Tzu-Ling Chen
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Daniel S Covita
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Andreas J Dax
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Marc Diepold
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Beatrice Franke
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Andrea L Gouvea
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Johannes Götzfried
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Thomas Graf
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Theodor W Hänsch
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Malte Hildebrandt
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Klaus Kirch
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Andreas Knecht
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Franz Kottmann
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Julian J Krauth
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Yi-Wei Liu
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Jorge Machado
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Cristina M.B Monteiro
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Françoise Mulhauser
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Boris Naar
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Tobias Nebel
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Joaquim M.F. Dos Santos
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José Paulo Santos
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David Taqqu
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João F.C.A Veloso
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Andreas Voss
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Birgit Weichelt
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Aldo Antognini
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Randolf Pohl
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Résumé

Hydrogen-like light muonic ions, in which one negative muon replaces all of the electrons, are extremely sensitive probes of nuclear structure. Using pulsed laser spectroscopy, we have measured three 2S-2P transitions in the muonic helium-3 (μ3He+) ion, an ion formed by a negative muon and bare helium-3 nucleus. This allowed us to extract the Lamb shift, the 2P fine structure splitting, and the 2S-hyperfine splitting in μ3He+. Comparing these measurements with theory, we determined the root-mean-square charge radius of the helion (3He nucleus) to be rh = 1.97007(94) fm, in good agreement with the value from elastic electron scattering but a factor 15 more accurate. Our results represent benchmarks for few-nucleon theories and open the way for precision quantum electrodynamics tests in He atoms and ions.

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hal-04117538 , version 1 (15-12-2025)

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Citer

Karsten Schuhmann, Luis M.P Fernandes, François Nez, Marwan Abdou Ahmed, Fernando D Amaro, et al.. The helion charge radius from laser spectroscopy of muonic helium-3 ions. 2025. ⟨hal-04117538⟩
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