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介子能揭示物理學標準模型之外的新秘密。為了制造μ子素，他們在瑞士保羅謝勒研究所（PSI）使用了世界上最強烈的連續低能量μ介子束。該研究發表在最近的《自然·通訊》上。
自發現以來，μ介子一直以其打破常規的怪異行為使科學家感到困惑。2021年費米實驗室的μ介子g-2實驗表明，這種微小的亞原子粒子的擺動遠超過理論預測。當μ介子用于測量質子的半徑時，它也是個“麻煩制造者”，產生了與以前的測量截然不同的值。
為了理解μ介子的奇怪行為，PSI和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員轉向了一種稱為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，但要簡單得多。氫的質子由夸克組成，而μ子素的正μ介子沒有子結構，這意味著它提供了一個非常干凈的模型系統來獲得極其精確的μ介子質量基本常數值。
研究人員表示，因為可非常精確地測量μ子素的性質，人們可嘗試檢測標準模型的任何偏差，并由此推斷出哪些超越標準模型的理論是可行的。
要使測量非常精確，一個主要挑戰是制造強烈的μ子素粒子束以減少統計誤差。但制造大量的μ子素，且只持續兩微秒并不容易。全球僅PSI的瑞士μ介子源有足夠的低能量正μ介子來實現。
研究團隊利用低能μ介子光束線上形成的μ子素，以微波和激光探測了其特性，并首次測量μ子素中某些非常特定的能量子水平之間的轉變。
測量μ子素的能力有助于對蘭姆位移的精密確定。蘭姆位移是氫中某些能級相對于經典理論預測的“應該”位置的微小變化。隨著量子電動力學的出現，這種轉變得到了解釋。然而在氫中，具有子結構的質子又使事情復雜化，在μ子素中測量的超精確蘭姆位移卻可用以檢驗量子電動力學理論。
μ介子的質量只有質子的1/9，這意味著與核質量相關的效應（如粒子在吸收光子后如何反沖）會增強。在氫中無法檢測到，但在μ子素中高精度地達到這些值，可使科學家測試某些異常理論，如是否有新粒子存在。
研究團隊的更大目標是稱量μ介子。μ介子質量是無法用理論預測的基本參數，隨著實驗精度的提高，迫切需要提高μ介子質量的值作為計算的基礎。
同時，這種測量還可能導致里德伯常數的新數值，這是原子物理學中的一個重要基本常數，獨立于氫光譜，它將能解釋導致質子半徑難題的測量值差異，甚至可能一勞永逸地解決問題。
來源：科技日報
