μ子素或揭示超越標準模型的新理論

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(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(yù)測。當(dāng)μ介子用于測量質(zhì)子的半徑時，它也是個“麻煩制造者”，產(chǎn)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(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，因為可非常精確地測量μ子素的性質(zhì)，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(zhàn)是制造強烈的μ子素粒子束以減少統(tǒng)計誤差。但制造大量的μ子素，且只持續(xù)2 μs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(xiàn)。

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(zhuǎn)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(jīng)典理論預(yù)測的“應(yīng)該”位置的微小變化。隨著量子電動力學(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子素中測量的超精確蘭姆位移卻可用以檢驗量子電動力學(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(xué)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(zhì)量是無法用理論預(yù)測的基本參數(shù)，隨著實驗精度的提高，迫切需要提高μ介子質(zhì)量的值作為計算的基礎(chǔ)。

同時，這種測量還可能導(dǎo)致里德伯常數(shù)的新數(shù)值，這是原子物理學(xué)中的一個重要基本常數(shù)，獨立于氫光譜，它將能解釋導(dǎo)致質(zhì)子半徑難題的測量值差異，甚至可能一勞永逸地解決問題。