μ子素或揭示超越标准模型的新理论 物理学经典难题有望解决

科技日报记者 张梦然

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通过研究一种叫做μ子素的奇异原子，研究人员希望“行为不端”的μ介子能揭示物理学标准模型之外的新秘密。为了制造μ子素，他们在瑞士保罗谢勒研究所（PSI）使用了世界上最强烈的连续低能量μ介子束。该研究发表在最近的《自然·通讯》上。

自发现以来，μ介子一直以其打破常规的怪异行为使科学家感到困惑。2021年费米实验室的μ介子g-2实验表明，这种微小的亚原子粒子的摆动远超过理论预测。当μ介子用于测量质子的半径时，它也是个“麻烦制造者”，产生了与以前的测量截然不同的值。

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子素的奇异原子。μ子素由绕行电子的正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μ子素的正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获得极其精确的μ介子质量基本常数值。

研究人员表示，因为可非常精确地测量μ子素的性质，人们可尝试检测标准模型的任何偏差，并由此推断出哪些超越标准模型的理论是可行的。

要使测量非常精确，一个主要挑战是制造强烈的μ子素粒子束以减少统计误差。但制造大量的μ子素，且只持续两微秒并不容易。全球仅PSI的瑞士μ介子源有足够的低能量正μ介子来实现。

研究团队利用低能μ介子光束线上形成的μ子素，以微波和激光探测了其特性，并首次测量μ子素中某些非常特定的能量子水平之间的转变。

测量μ子素的能力有助于对兰姆位移的精密确定。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。随着量子电动力学的出现，这种转变得到了解释。然而在氢中，具有子结构的质子又使事情复杂化，在μ子素中测量的超精确兰姆位移却可用以检验量子电动力学理论。

μ介子的质量只有质子的1/9，这意味着与核质量相关的效应（如粒子在吸收光子后如何反冲）会增强。在氢中无法检测到，但在μ子素中高精度地达到这些值，可使科学家测试某些异常理论，如是否有新粒子存在。

研究团队的更大目标是称量μ介子。μ介子质量是无法用理论预测的基本参数，随着实验精度的提高，迫切需要提高μ介子质量的值作为计算的基础。

同时，这种测量还可能导致里德伯常数的新数值，这是原子物理学中的一个重要基本常数，独立于氢光谱，它将能解释导致质子半径难题的测量值差异，甚至可能一劳永逸地解决问题。

关键词： 标准模型