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    科研進展

    精密測量院將奇異π介子氦原子精密譜理論精度提高到十億分之四

    發表日期:2022-05-06來源:精密測量科學與技術創新研究院放大 縮小

      近日,精密測量院少體精密譜理論團隊完成π4He+奇異原子 (17, 16) → (16, 15) 躍遷頻率的理論計算,精度達到十億分之四 (4E-9),這是目前世界上躍遷頻率的理論計算最精確的結果。結合瑞士保羅謝勒研究所 (PSI) 正在進行的高精度實驗測量,該研究領域有望將現有π-介子質量精度提高2-3個量級。利用π+介子衰變實驗可以進一步將中微子質量上限的精度提高2個量級,這將為解決中微子質量之謎提供重要信息。

      π介子由日本京都大學理論物理學家湯川秀樹于1935年最先預言,并被英國實驗物理學家鮑威爾于1947年在宇宙射線中發現,湯川秀樹因此榮獲1949年諾貝爾物理學獎。π介子是最輕的強子,也是介子中最輕最重要的一種,質量為電子的273倍,是傳遞核力的中間粒子,自旋為0,有三種:π+,π0,π-。π介子是不穩定粒子,其中π-介子壽命僅有26納秒(一億分之一秒),這給精確測量π-質量帶來了巨大困難。

      

      利用激光探測奇異π介子氦原子示意圖

      在鮑威爾發現宇宙射線中π介子的同年,“原子能之父”著名物理學家費米等人預言π-介子取代正常原子中的電子后可以形成各種奇異原子。這些奇異原子像“容器”一樣將π-介子存儲在分立原子軌道上,使我們可以利用激光技術加以研究。PSI 擁有領先世界的高亮度 1.3 MW 質子環形回旋加速器,這使得 PiHe 合作組能夠獲得高通量的π-介子束流。如圖所示,π-介子束流轟擊氦靶,會將氦原子的一個基態電子敲掉并占據該電子的空間位置,并被較為穩定的亞穩態軌道“囚禁”起來。這些獨特的亞穩態軌道與原子核距離較遠,因此可以保護π-介子在幾十納秒之內不被原子核俘獲,這使得激光光譜探測成為可能。隨后,剩余的一個電子也被發射出去,π-介子落入低軌道并被原子核吸收,核裂變反應產生質子、中子和氘核。

      近年來越來越多的跡象暗示粒子物理標準模型存在危機。而π介子衰變反應中涉及的繆子和W 玻色子都表現出與標準模型存在偏差的行為。2021 年4 月7 日,費米實驗室公布的繆子反常磁矩的測量結果比標準模型的理論預言大了4.2 倍標準差。整整一年后的2022 年4 月7日,費米實驗室再次公布他們對W玻色子質量的測量比標準模型預期值偏高7個標準差。因此,對于π介子的研究就顯得更加重要。

      目前,X射線法測得的π介子質量精度最高可達到1E-6量級。研究表明,亞穩態π介子氦激光光譜方法有望將π介子質量提高更高量級。帶負電π介子被氦原子俘獲的實驗研究已經有60多年的歷史。直到2020年,亞穩態π介子氦存在的直接證據才被PSI的激光光譜學實驗證實。他們探測到了π4He+原子(17, 16) → (17, 15)躍遷的頻率。雖然測量精度還不足以改善現有的π介子質量,但這無疑是一個好的開端。而通過選取更窄自然線寬的(17, 16) → (16, 15)躍遷,未來亞穩態π介子氦激光光譜方法有望將π介子質量提高到1E-9量級,這將顯著改善目前已有的π介子質量。為此,理論上對該躍遷頻率進行計算是必須的。

      精密測量院少體理論團隊基于自己發展的CCR-GO方法【Bai et al. Chin. Phys. B 30 , 023101 (2021)】產生高精度的亞穩態波函數,綜合考慮了Rα2和Rα3的領頭階相對論和量子電動力學的圈圖貢獻,并計算了Rα4和Rα5的高階修正項,從而將π4He+原子(17, 16) → (16, 15)躍遷頻率的理論預言值精度提高到十億分之四(4E-9)。

      該成果于以“Precision spectroscopy of the pionic helium-4”為題發表在《物理評論快報》上,精密測量院博士研究生白志達為論文第一作者,俄羅斯聯合核子研究所Vladimir I. Korobov為第二作者,精密測量院研究員鐘振祥為通訊作者。

      該研究得到了國家自然科學基金、中科院先導專項B項目“基于原子的精密測量物理”、中國科學院國際人才計劃等項目的支持。

      論文鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.183001

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