研究μonium以揭示标准模型之外的新物理学

2022年11月30日12:17:04 科学 1680

在 200–800 MHz 范围内以 22.5 W 的频率扫描。拟合的黑线是有的，灰线没有 3S贡献。误差线对应于计数统计误差。彩色区域代表从 2S− 2P 的潜在贡献1/2转换，即 583 MHz（蓝色）、1140 MHz（橙色）、1326 MHz（绿色）和组合的 3S− 3P1/2（黄色）。图中未显示TL OFF的数据点，但包含在拟合中;它位于 20.4（4） × 10−4.来源：自然通讯（2022）。DOI： 10.1038/s41467-022-34672-0

通过研究一种叫做μonium的奇异原子，研究人员希望行为不端的μ介子会把豆子洒在粒子物理学的标准模型上。为了制造μonium，他们在Paul Scherrer研究所PSI使用了世界上最强烈的连续低能量μ介子束。该研究发表在Nature Communications上。

μ介子通常被描述为电子的重表亲。更合适的描述可能是它的流氓关系。自从它的发现引发了“谁下令”（诺贝尔奖获得者伊西多尔·艾萨克·拉比）这个词以来，μ介子一直以其违法的滑稽动作迷惑科学家。

μ介子最著名的轻罪是在磁场中稍微摆动太多：它的异常磁矩在 2021 年费米实验室的μ介子 g-2 实验中成为头条新闻。当μ介子用于测量质子的半径时，它也引起了明显的麻烦 - 产生了与以前的测量和所谓的质子半径谜题截然不同的值。

然而，μ介子并没有受到惩罚，而是因其令人惊讶的行为而受到珍视，这使得它很可能成为揭示标准模型之外新物理学的候选者。

为了理解μ介子的奇怪行为，PSI和苏黎世联邦理工学院的研究人员转向了一种称为μ介子的奇异原子。μonium由由电子绕行的正μ介子形成，类似于氢，但要简单得多。氢的质子由夸克组成，而μonium的正μ介子没有子结构。这意味着它提供了一个非常干净的模型系统来解决这些问题：例如，通过获得极其精确的基本常数值，例如μ介子的质量。

“对于μonium，因为我们可以如此精确地测量它的性质，我们可以尝试检测与标准模型的任何偏差。如果我们看到这一点，我们就可以推断出哪些超越标准模型的理论是可行的，“苏黎世联邦理工学院的Paolo Crivelli解释说，他正在领导这项研究，该研究得到了欧洲研究委员会在Mu-MASS项目框架内的整合者资助。

通过在一种称为μonium的奇异原子中进行精确测量，Crivelli和Prokscha的目标是使用μ介子来理解令人费解的结果，这可能反过来揭示我们所知道的物理定律中的差距。为了进行测量，他们在瑞士的Paul Scherrer研究所PSI使用了世界上最强烈，最连续的低能量μ介子源。来源：保罗·谢勒研究所/马希尔·赞贝戈维奇

世界上只有一个地方是可能的

非常精确地进行这些测量的一个主要挑战是具有强烈的μonium粒子束，以便减少统计误差。制造大量的μonium，顺便说一下只持续两微秒，并不简单。世界上有一个地方有足够的低能量正μ介子来创造这个：PSI的瑞士μ介子源。

“为了有效地制造μ介子，我们需要使用慢速μ介子。当它们第一次生产时，它们的速度是光速的四分之一。然后，我们需要在不丢失它们的情况下将它们减慢一千倍。在PSI，我们已经完善了这门艺术。我们拥有世界上最强烈的低能量μ介子连续源。因此，我们在执行这些测量方面具有独特的优势，“PSI低能量μ介子组负责人Thomas Prokscha说。

在低能μ介子光束线上，慢速μ介子穿过一个薄的箔靶，在那里它们拾取电子形成μ介子。当它们出现时，Crivelli的团队正在等待使用微波和激光光谱学探测它们的特性。

能量水平的微小变化可能是关键

研究人员能够如此详细地研究μonium的特性是它的能量水平。在最近的出版物中，这些团队首次能够测量μonium中某些非常特定的能量子水平之间的转变。与其他所谓的超精细水平隔离，可以非常干净地建模过渡。现在测量它的能力将有助于其他精密测量：特别是，获得称为兰姆位移的重要量的改进值。

兰姆位移是氢中某些能级相对于经典理论预测的“应该”位置的微小变化。随着量子电动力学（光和物质如何相互作用的量子理论）的出现，这种转变得到了解释。然而，正如所讨论的，在氢中，质子 - 具有子结构 - 使事情复杂化。在μonium中测量的超精确兰姆位移可以检验量子电动力学理论。

还有更多。μ介子比质子轻九倍。这意味着与核质量相关的效应，例如粒子在吸收光子后如何反冲，会增强。在氢中无法检测到，在μonium中高精度地达到这些值的途径可以使科学家测试某些解释μ介子g-2异常的理论：例如，新粒子的存在，如标量或矢量规范玻色子。

将μ介子放在秤上

无论这种潜力多么令人兴奋，团队都有一个更大的目标：称量μ介子。为此，他们将测量μonium的不同跃迁，其精度比以往任何时候都高一千倍。

μ介子质量的超高精度值（目标是十亿分之一）将支持正在进行的努力，以进一步降低μ介子g-2的不确定性。“μ介子质量是我们无法用理论预测的基本参数，因此随着实验精度的提高，我们迫切需要提高μ介子质量的值作为计算的输入，”Crivelli解释说。

测量还可能导致里德伯常数的新值 - 原子物理学中的一个重要基本常数 - 独立于氢光谱。这可以解释导致质子半径难题的测量之间的差异，甚至可能一劳永逸地解决它。

Muonium光谱准备与IMPACT项目一起飞行

鉴于此类实验的主要限制是产生足够的μonium以减少统计误差，PSI这项研究的前景看起来很光明。

“通过为IMPACT项目计划的高强度μ介子束，我们的精度可能会提高一百倍，这对于标准模型来说将变得非常有趣，”Prokscha说。