在 200–800 MHz 範圍內以 22.5 W 的頻率掃描。擬合的黑線是有的，灰線沒有 3S貢獻。誤差線對應於計數統計誤差。彩色區域代表從 2S− 2P 的潛在貢獻1/2轉換，即 583 MHz（藍色）、1140 MHz（橙色）、1326 MHz（綠色）和組合的 3S− 3P1/2（黃色）。圖中未顯示TL OFF的數據點，但包含在擬合中;它位於 20.4（4） × 10−4.來源：自然通訊（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-34672-0
通過研究一種叫做μonium的奇異原子，研究人員希望行為不端的μ介子會把豆子灑在粒子物理學的標準模型上。為了製造μonium，他們在Paul Scherrer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Nature Communications上。
μ介子通常被描述為電子的重表親。更合適的描述可能是它的流氓關係。自從它的發現引發了「誰下令」（諾貝爾獎獲得者伊西多爾·艾薩克·拉比）這個詞以來，μ介子一直以其違法的滑稽動作迷惑科學家。
μ介子最著名的輕罪是在磁場中稍微擺動太多：它的異常磁矩在 2021 年費米實驗室的μ介子 g-2 實驗中成為頭條新聞。當μ介子用於測量質子的半徑時，它也引起了明顯的麻煩 - 產生了與以前的測量和所謂的質子半徑謎題截然不同的值。
然而，μ介子並沒有受到懲罰，而是因其令人驚訝的行為而受到珍視，這使得它很可能成為揭示標準模型之外新物理學的候選者。
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介子的奇異原子。μonium由由電子繞行的正μ介子形成，類似於氫，但要簡單得多。氫的質子由夸克組成，而μonium的正μ介子沒有子結構。這意味著它提供了一個非常乾淨的模型系統來解決這些問題：例如，通過獲得極其精確的基本常數值，例如μ介子的質量。
「對於μonium，因為我們可以如此精確地測量它的性質，我們可以嘗試檢測與標準模型的任何偏差。如果我們看到這一點，我們就可以推斷出哪些超越標準模型的理論是可行的，「蘇黎世聯邦理工學院的Paolo Crivelli解釋說，他正在領導這項研究，該研究得到了歐洲研究委員會在Mu-MASS項目框架內的整合者資助。
通過在一種稱為μonium的奇異原子中進行精確測量，Crivelli和Prokscha的目標是使用μ介子來理解令人費解的結果，這可能反過來揭示我們所知道的物理定律中的差距。為了進行測量，他們在瑞士的Paul Scherrer研究所PSI使用了世界上最強烈，最連續的低能量μ介子源。來源：保羅·謝勒研究所/馬希爾·贊貝戈維奇
世界上只有一個地方是可能的
非常精確地進行這些測量的一個主要挑戰是具有強烈的μonium粒子束，以便減少統計誤差。製造大量的μonium，順便說一下只持續兩微秒，並不簡單。世界上有一個地方有足夠的低能量正μ介子來創造這個：PSI的瑞士μ介子源。
「為了有效地製造μ介子，我們需要使用慢速μ介子。當它們第一次生產時，它們的速度是光速的四分之一。然後，我們需要在不丟失它們的情況下將它們減慢一千倍。在PSI，我們已經完善了這門藝術。我們擁有世界上最強烈的低能量μ介子連續源。因此，我們在執行這些測量方面具有獨特的優勢，「PSI低能量μ介子組負責人Thomas Prokscha說。
在低能μ介子光束線上，慢速μ介子穿過一個薄的箔靶，在那裡它們拾取電子形成μ介子。當它們出現時，Crivelli的團隊正在等待使用微波和激光光譜學探測它們的特性。
能量水平的微小變化可能是關鍵
研究人員能夠如此詳細地研究μonium的特性是它的能量水平。在最近的出版物中，這些團隊首次能夠測量μonium中某些非常特定的能量子水平之間的轉變。與其他所謂的超精細水平隔離，可以非常乾淨地建模過渡。現在測量它的能力將有助於其他精密測量：特別是，獲得稱為蘭姆位移的重要量的改進值。
蘭姆位移是氫中某些能級相對於經典理論預測的「應該」位置的微小變化。隨著量子電動力學（光和物質如何相互作用的量子理論）的出現，這種轉變得到了解釋。然而，正如所討論的，在氫中，質子 - 具有子結構 - 使事情複雜化。在μonium中測量的超精確蘭姆位移可以檢驗量子電動力學理論。
還有更多。μ介子比質子輕九倍。這意味著與核質量相關的效應，例如粒子在吸收光子後如何反衝，會增強。在氫中無法檢測到，在μonium中高精度地達到這些值的途徑可以使科學家測試某些解釋μ介子g-2異常的理論：例如，新粒子的存在，如標量或矢量規範玻色子。
將μ介子放在秤上
無論這種潛力多麼令人興奮，團隊都有一個更大的目標：稱量μ介子。為此，他們將測量μonium的不同躍遷，其精度比以往任何時候都高一千倍。
μ介子質量的超高精度值（目標是十億分之一）將支持正在進行的努力，以進一步降低μ介子g-2的不確定性。「μ介子質量是我們無法用理論預測的基本參數，因此隨著實驗精度的提高，我們迫切需要提高μ介子質量的值作為計算的輸入，」Crivelli解釋說。
測量還可能導致里德伯常數的新值 - 原子物理學中的一個重要基本常數 - 獨立於氫光譜。這可以解釋導致質子半徑難題的測量之間的差異，甚至可能一勞永逸地解決它。
Muonium光譜準備與IMPACT項目一起飛行
鑒於此類實驗的主要限制是產生足夠的μonium以減少統計誤差，PSI這項研究的前景看起來很光明。
「通過為IMPACT項目計劃的高強度μ介子束，我們的精度可能會提高一百倍，這對於標準模型來說將變得非常有趣，」Prokscha說。
更多信息：Gianluca Janka 等人，測量從 2S1/2、F = 0 到 2P1/2、F = 1 狀態的躍遷頻率，自然通訊（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-34672-0
期刊信息：自然通訊
