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通過研究一種叫做μ子素的奇異原子，研究人員希望“行為不端”的μ介子能揭示物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新秘密。為了制造μ子素，他們?cè)谌鹗勘Ａ_謝勒研究所（PSI）使用了世界上最強(qiáng)烈的連續(xù)低能量μ介子束。該研究發(fā)表在最近的《自然·通訊》上。
自發(fā)現(xiàn)以來，μ介子一直以其打破常規(guī)的怪異行為使科學(xué)家感到困惑。2021年費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的μ介子g-2實(shí)驗(yàn)表明，這種微小的亞原子粒子的擺動(dòng)遠(yuǎn)超過理論預(yù)測(cè)。當(dāng)μ介子用于測(cè)量質(zhì)子的半徑時(shí)，它也是個(gè)“麻煩制造者”，產(chǎn)生了與以前的測(cè)量截然不同的值。
為了理解μ介子的奇怪行為，PSI和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員轉(zhuǎn)向了一種稱為μ子素的奇異原子。μ子素由繞行電子的正μ介子形成，類似于氫，但要簡(jiǎn)單得多。氫的質(zhì)子由夸克組成，而μ子素的正μ介子沒有子結(jié)構(gòu)，這意味著它提供了一個(gè)非常干凈的模型系統(tǒng)來獲得極其精確的μ介子質(zhì)量基本常數(shù)值。
研究人員表示，因?yàn)榭煞浅＞_地測(cè)量μ子素的性質(zhì)，人們可嘗試檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)模型的任何偏差，并由此推斷出哪些超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論是可行的。
要使測(cè)量非常精確，一個(gè)主要挑戰(zhàn)是制造強(qiáng)烈的μ子素粒子束以減少統(tǒng)計(jì)誤差。但制造大量的μ子素，且只持續(xù)兩微秒并不容易。全球僅PSI的瑞士μ介子源有足夠的低能量正μ介子來實(shí)現(xiàn)。
研究團(tuán)隊(duì)利用低能μ介子光束線上形成的μ子素，以微波和激光探測(cè)了其特性，并首次測(cè)量μ子素中某些非常特定的能量子水平之間的轉(zhuǎn)變。
測(cè)量μ子素的能力有助于對(duì)蘭姆位移的精密確定。蘭姆位移是氫中某些能級(jí)相對(duì)于經(jīng)典理論預(yù)測(cè)的“應(yīng)該”位置的微小變化。隨著量子電動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn)，這種轉(zhuǎn)變得到了解釋。然而在氫中，具有子結(jié)構(gòu)的質(zhì)子又使事情復(fù)雜化，在μ子素中測(cè)量的超精確蘭姆位移卻可用以檢驗(yàn)量子電動(dòng)力學(xué)理論。
μ介子的質(zhì)量只有質(zhì)子的1/9，這意味著與核質(zhì)量相關(guān)的效應(yīng)（如粒子在吸收光子后如何反沖）會(huì)增強(qiáng)。在氫中無法檢測(cè)到，但在μ子素中高精度地達(dá)到這些值，可使科學(xué)家測(cè)試某些異常理論，如是否有新粒子存在。
研究團(tuán)隊(duì)的更大目標(biāo)是稱量μ介子。μ介子質(zhì)量是無法用理論預(yù)測(cè)的基本參數(shù)，隨著實(shí)驗(yàn)精度的提高，迫切需要提高μ介子質(zhì)量的值作為計(jì)算的基礎(chǔ)。
同時(shí)，這種測(cè)量還可能導(dǎo)致里德伯常數(shù)的新數(shù)值，這是原子物理學(xué)中的一個(gè)重要基本常數(shù)，獨(dú)立于氫光譜，它將能解釋導(dǎo)致質(zhì)子半徑難題的測(cè)量值差異，甚至可能一勞永逸地解決問題。
來源：科技日?qǐng)?bào)
