研究镨以揭示超越标准模型的新物理

通过研究一种叫做μ的奇异原子，研究人员希望行为不端的μ子能够泄露粒子物理学标准模型中的秘密。为了制造μ子，他们在PaulScherrerInstitutePSI使用了世界上最强烈的连续低能μ子束。该研究发表在《自然通讯》上。

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

μ子最著名的不端行为是在磁场中稍微摆动过多：它的异常磁矩在2021年费米实验室的μ子g-2实验中成为头条新闻。当μ子被用来测量质子的半径时，它也造成了显着的麻烦——导致与之前的测量结果截然不同的值，这就是众所周知的质子半径之谜。

然而，μ子并没有受到惩罚，而是因其令人惊讶的行为而受到珍视，这使其成为揭示标准模型之外的新物理学的可能候选者。

为了弄清μ子的奇怪行为，来自PSI和苏黎世联邦理工学院的研究人员转向了一种被称为μ的奇异原子。μ子由电子绕轨道运行的正μ子形成，类似于氢，但更简单。氢的质子由夸克组成，而μ的正μ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，可以从中解决这些问题：例如，通过获得μ子质量等基本常数的极其精确的值。

“有了muonium，因为我们可以如此精确地测量它的特性，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出标准模型的理论是可行的，哪些是不可行的，”来自苏黎世联邦理工学院的PaoloCrivelli解释说，他在Mu-MASS项目的框架内领导这项研究，该研究得到了欧洲研究委员会联合基金的资助。

通过对称为μ介子的奇异原子进行精确测量，Crivelli和Prokscha旨在使用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的物理定律中的差距。为了进行测量，他们在瑞士的PaulScherrerInstitutePSI使用了世界上最强烈、连续的低能μ子源。图片来源：PaulScherrerInstitute/MahirDzambegovic

世界上只有一个地方这是可能的

非常精确地进行这些测量的一个主要挑战是使用强烈的μ粒子束，以便减少统计误差。制造大量持续时间仅为2微秒的μ并不简单。世界上有一个地方可以提供足够的低能量正μ子来创建它：PSI的瑞士μ子源。

“为了有效地制造μ子，我们需要使用慢μ子。当它们第一次被生产出来时，它们的速度是光速的四分之一。然后我们需要将它们减慢一千倍而不丢失它们。在PSI，我们已经完善了这项技术。我们拥有世界上最强烈的连续低能μ子源。因此，我们在执行这些测量方面具有独特的优势，”PSI低能μ子小组负责人ThomasProkscha说。

在低能μ子光束线上，慢速μ子穿过薄箔靶，在那里它们拾取电子形成μ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μ的特性是它的能级。在最近的出版物中，团队首次能够测量μ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级别隔离，过渡可以非常干净地建模。现在测量它的能力将有助于其他精确测量：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。量子电动力学(光与物质如何相互作用的量子理论)的出现解释了这种转变。然而，正如所讨论的，在氢中，质子——拥有子结构——使事情复杂化。在μ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。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，得到了增强。在氢中检测不到，在μ中以高精度获得这些值的途径可以使科学家能够测试某些可以解释μ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。

把μ子放在天平上

无论这可能有多么令人兴奋，该团队都有一个更大的目标：称量μ子。为此，他们将以比以往任何时候都高一千倍的精度测量μ的不同跃迁。

μ子质量的超高精度值(目标是十亿分之一)将支持为进一步降低μ子g-2的不确定性所做的持续努力。“μ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，我们迫切需要改进的μ子质量值作为计算的输入，”Crivelli解释说。

测量还可能导致里德伯常数的新值——原子物理学中一个重要的基本常数——独立于氢光谱。这可以解释导致质子半径之谜的测量结果之间的差异，甚至可能一劳永逸地解决它。

介子光谱学准备与IMPACT项目一起飞行

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

“通过为IMPACT项目计划的高强度μ子束，我们有可能将精度提高一百倍，这对于标准模型来说将变得非常有趣，”Prokscha说。