近日，北航beat365英国官网网站張玉潔教授課題組與合作者提出了尋找陶原子的全新方案，研究成果以“Novel method for identifying the heaviest QED atom”為題在綜合性期刊Science Bulletin上發表[Science Bulletin 69 (2024) 1386]。

氫原子曾一度被認為是自然界中最簡單的原子，由電子與有内部結構的質子組成。然而，随着研究的深入，科學家們發現了一種更為簡單的原子類型，即由無内部結構的電子（e^-）、缪子（μ^-）或陶子（τ^-）與它們同樣無結構的反粒子組成的純電磁相互作用原子。這些原子僅通過電磁相互作用緊密結合，結構比氫原子更簡單，它們的存在為研究量子力學、基本對稱性和引力等科學問題提供了全新的視角。

迄今為止，已經發現的純電磁相互作用原子隻有兩種，分别是1951年發現的電子反電子束縛态（Phys Rev 1951;82:455）和1960年發現的電子反缪子束縛态（Phys Rev Lett 1960;5:63）。在過去的64年内，盡管人們提出了在宇宙射線中和在高能對撞機中尋找等方案，但是并未發現其它純電磁相互作用原子的迹象。

陶原子由陶子和反陶子組成，其玻爾半徑僅為30.4飛米（1飛米=10^-15米），約為氫原子玻爾半徑的1/1741。這意味着陶原子可以在更小的尺度上檢驗量子力學和量子電動力學的基本原理，是探索微觀物質世界奧秘的有力工具。

張玉潔教授課題組與合作者在論文中提出了發現陶原子的新方案。這一全新的研究方案指出，利用正負電子對撞機在陶子對産生阈值附近采集1.5 ab^-1數據，通過選擇含有帶電粒子并伴随未探測到的中微子帶走能量的一類特殊事例，經過精密的數據分析和處理，觀測到陶原子的信号顯著性将大于5σ，這意味着陶原子的存在可以得到強有力的實驗證據。

該研究發現，利用相同的數據可将陶輕子質量的測量精度提升到前所未有的1 keV水平，比目前實驗測量的最高精度提高兩個數量級。這一成果不僅有助于精确檢驗标準模型的電弱理論，還将對輕子普适性等基本物理問題産生深遠影響。

該尋找陶原子的新方案可作為中國超級陶粲裝置（STCF）或俄羅斯超級粲陶工廠（SCTF）的重要物理目标之一：即通過在陶子對産生阈值附近運行一年發現最重的純電磁相互作用原子，并高精度測量陶輕子質量。這些發現将為人類對微觀世界的探索帶來更加深入的洞察和理解。

該工作由beat365英国官网网站、複旦大學、中科院高能物理研究所、東南大學、遼甯師範大學研究人員合作完成。我校beat365英国官网网站張玉潔教授、複旦大學沈成平教授和中科院高能物理研究所苑長征研究員為共同通訊作者，我校beat365英国官网网站博士生傅靖航和東南大學賈森副研究員為共同一作，北航為第一單位。

《Science Bulletin》是由中國科學院和國家自然科學基金委員會共同創辦的自然科學綜合類刊物, 2022年影響因子18.9。

文章鍊接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.04.003

Science Bulletin公衆号新聞鍊接： https://mp.weixin.qq.com/s/WvH_uPe0o0yJuUuadYntAA