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ヘリウム4（4ヘリウム(He )は、元素ヘリウムの安定同位体です。ヘリウムの2つの天然同位体のうち、圧倒的に多く存在し、地球上のヘリウムのほぼすべてを占めています。その原子核は2つの陽子と2つの中性子からなり、アルファ粒子と同一です。
ヘリウム4は、宇宙に存在する通常の物質の質量の約4分の1を占め、残りのほとんどは水素です。恒星の核融合によってもヘリウム4が生成されますが、太陽や宇宙に存在するヘリウム4のほとんどは、ビッグバン時に生成された「原始ヘリウム」であると考えられています。しかし、原始ヘリウム4は地球の形成期の高温段階で地球から逃げてしまったため、地球上にはほとんど存在しません。地球上で自然に存在するヘリウム4のほとんどは、地球が冷えて固まった後に、地殻中の重元素のアルファ崩壊によって生成されます。
液体ヘリウム4を2.17 K （-270.98 °C）以下に冷却すると、通常の液体とは全く異なる性質を持つ超流動体になります。例えば、超流動ヘリウム4を開放容器に入れると、薄いローリン膜が容器の側面を伝って液体が漏れ出します。ヘリウム4原子核の全スピンは整数（ゼロ）であるため、ボソンです。この超流動挙動は、ボソンの集合でのみ発生するボーズ・アインシュタイン凝縮の現れです。
0.2 K、50 atm の条件下では、固体ヘリウム 4 はスーパーグラス(超流動性を示す非晶質固体) になる可能性があると理論づけられている。[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
ヘリウム原子は2番目に単純な原子（最も単純なのは水素原子）ですが、余分な電子によって3つ目の「物体」が加わるため、その波動方程式は解析解を持たない「三体問題」となります。しかし、量子力学の方程式を数値的に近似することで、ヘリウム4の大きさやイオン化エネルギーといった主要な原子特性を高い精度で推定することが可能です。
4He原子核の大きさは、 1 fmのオーダーであることが以前から知られていた。原子電子をミューオンに置き換えたエキゾチックヘリウム原子を用いた実験では、原子核の大きさ（電荷半径）は1.67824(83) fmと推定されている。 [ 6 ]
ヘリウム4原子の原子核は、二重魔法数と呼ばれる安定性を持つ。高エネルギー電子散乱実験では、その電荷が中心点の最大値から指数関数的に減少することが示されているが、これはヘリウム自身の電子雲の電荷密度と全く同じである。この対称性は、同様の基礎的な物理法則を反映している。ヘリウム原子核内の2つの中性子と2つの陽子は、ヘリウムの2つの電子と同じ量子力学的法則に従う（ただし、原子核粒子は異なる核結合ポテンシャルの影響を受ける）。そのため、これらのフェルミオンはすべて1s軌道をペアで完全に占有し、いずれも軌道角運動量を持たず、互いの固有スピンを打ち消し合う。これらの粒子のいずれかをもう1つ加えるには角運動量が必要となり、放出されるエネルギーは大幅に少なくなる（実際、5つの核子を持つ原子核は安定ではない）。したがって、この配置はこれらの粒子すべてにとってエネルギー的に極めて安定しており、この安定性が自然界におけるヘリウムに関する多くの重要な事実を説明するものである。
例えば、ヘリウムの電子雲の安定性と低エネルギーは、ヘリウムの化学的不活性（すべての元素の中で最も極端な不活性）と、ヘリウム原子同士の相互作用の欠如（すべての元素の中で最も低い融点と沸点をもたらす）を引き起こします。
同様に、同様の効果によって生じるヘリウム4原子核の特異なエネルギー安定性は、重粒子放出と核融合の両方を含む原子反応においてヘリウム4が容易に生成される理由を説明する。水素からの核融合反応では安定なヘリウム3も生成されるが、エネルギー的に非常に有利なヘリウム4の生成に比べると、その割合はごくわずかである。ヘリウム4の安定性は、太陽での核融合反応において水素が重水素（水素2）やヘリウム3、その他のより重い元素ではなく、ヘリウム4に変換される理由である。また、アルファ粒子が原子核から放出されるバリオン粒子の中で圧倒的に最も一般的なタイプであること、つまりアルファ崩壊がクラスター崩壊よりもはるかに一般的であることにも部分的に関係している。
ヘリウム4原子核の特異な安定性は、宇宙論的にも重要である。ビッグバン後の最初の数分間、当初約6:1の比率で生成された自由陽子と中性子の「スープ」が核結合が可能な温度まで冷却されるにつれて、形成された原子核のほぼすべてがヘリウム4原子核であったという事実を、この安定性は説明している。ヘリウム4の核子の結合は非常に強く、その生成によって自由中性子のほとんどが数分以内に消費され、ベータ崩壊を起こす前に、より重い原子（特にリチウム、ベリリウム、ホウ素）を形成するために残った中性子はごくわずかであった。ヘリウム4の核子あたりの核結合エネルギーは、これらの元素のいずれよりも強く（核生成と結合エネルギーを参照）、そのため、ヘリウムが形成された後は、元素3、4、5を生成するためのエネルギー的な「駆動力」は存在しなかった。ヘリウムが核子あたりのエネルギーが高い次の元素（炭素）に融合することは、エネルギー的にほとんど有利ではありません。しかし、中間元素が希少であること、およびベリリウム8（2つの4He原子核が融合して生成される）が極めて不安定であることから、このプロセスには3つのヘリウム原子核がほぼ同時に衝突する必要があります（トリプルアルファプロセスを参照）。そのため、ビッグバン後数分間、初期の膨張宇宙がヘリウムから炭素への融合が不可能な温度と圧力まで冷える前に、大量の炭素が形成される時間はありませんでした。このため、初期の宇宙は、今日観測されているのと非常によく似た水素とヘリウムの比率（質量比で水素3：ヘリウム4 1）となり、宇宙のほぼすべての中性子がヘリウム4に閉じ込められていました。
地球のような岩石惑星や、炭素を基盤とする生命体、その他の生命体に必要な元素を含む、より重い元素はすべて、ビッグバン以降、水素より重い元素を核融合させるのに十分な高温の恒星で生成されたに違いない。現在、水素とヘリウム以外のすべての元素は、宇宙の原子物質の質量のわずか2%を占めるにすぎない。対照的に、ヘリウム4は宇宙の通常の物質の約23%を占めており、水素（1H）以外の通常の物質のほぼすべてを占めている。