近日，精密測(cè)量院少體精密譜理論團(tuán)隊(duì)完成π⁴He⁺奇異原子 (17, 16) → (16, 15) 躍遷頻率的理論計(jì)算，精度達(dá)到十億分之四 (4E-9)，這是目前世界上躍遷頻率的理論計(jì)算最精確的結(jié)果。結(jié)合瑞士保羅謝勒研究所 (PSI) 正在進(jìn)行的高精度實(shí)驗(yàn)測(cè)量，該研究領(lǐng)域有望將現(xiàn)有π^-介子質(zhì)量精度提高2-3個(gè)量級(jí)。利用π⁺介子衰變實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步將中微子質(zhì)量上限的精度提高2個(gè)量級(jí)，這將為解決中微子質(zhì)量之謎提供重要信息。

　　π介子由日本京都大學(xué)理論物理學(xué)家湯川秀樹(shù)于1935年最先預(yù)言，并被英國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家鮑威爾于1947年在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)，湯川秀樹(shù)因此榮獲1949年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。π介子是最輕的強(qiáng)子，也是介子中最輕最重要的一種，質(zhì)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(wěn)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(cè)量π-質(zhì)量帶來(lái)了巨大困難。

　　利用激光探測(cè)奇異π介子氦原子示意圖

　　在鮑威爾發(fā)現(xiàn)宇宙射線中π介子的同年，“原子能之父”著名物理學(xué)家費(fèi)米等人預(yù)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(chǔ)在分立原子軌道上，使我們可以利用激光技術(shù)加以研究。PSI 擁有領(lǐng)先世界的高亮度 1.3 MW 質(zhì)子環(huán)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(huì)將氦原子的一個(gè)基態(tài)電子敲掉并占據(jù)該電子的空間位置，并被較為穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)軌道“囚禁”起來(lái)。這些獨(dú)特的亞穩(wěn)態(tài)軌道與原子核距離較遠(yuǎn)，因此可以保護(hù)π^-介子在幾十納秒之內(nèi)不被原子核俘獲，這使得激光光譜探測(cè)成為可能。隨后，剩余的一個(gè)電子也被發(fā)射出去，π^-介子落入低軌道并被原子核吸收，核裂變反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子、中子和氘核。

　　近年來(lái)越來(lái)越多的跡象暗示粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型存在危機(jī)。而π介子衰變反應(yīng)中涉及的繆子和W 玻色子都表現(xiàn)出與標(biāo)準(zhǔn)模型存在偏差的行為。2021 年4 月7 日，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室公布的繆子反常磁矩的測(cè)量結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)言大了4.2 倍標(biāo)準(zhǔn)差。整整一年后的2022 年4 月7日，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室再次公布他們對(duì)W玻色子質(zhì)量的測(cè)量比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期值偏高7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。因此，對(duì)于π介子的研究就顯得更加重要。

　　目前，X射線法測(cè)得的π介子質(zhì)量精度最高可達(dá)到1E-6量級(jí)。研究表明，亞穩(wěn)態(tài)π介子氦激光光譜方法有望將π介子質(zhì)量提高更高量級(jí)。帶負(fù)電π介子被氦原子俘獲的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)有60多年的歷史。直到2020年，亞穩(wěn)態(tài)π介子氦存在的直接證據(jù)才被PSI的激光光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。他們探測(cè)到了π⁴He⁺原子(17, 16) → (17, 15)躍遷的頻率。雖然測(cè)量精度還不足以改善現(xiàn)有的π介子質(zhì)量，但這無(wú)疑是一個(gè)好的開(kāi)端。而通過(guò)選取更窄自然線寬的(17, 16) → (16, 15)躍遷，未來(lái)亞穩(wěn)態(tài)π介子氦激光光譜方法有望將π介子質(zhì)量提高到1E-9量級(jí)，這將顯著改善目前已有的π介子質(zhì)量。為此，理論上對(duì)該躍遷頻率進(jìn)行計(jì)算是必須的。

　　精密測(cè)量院少體理論團(tuán)隊(duì)基于自己發(fā)展的CCR-GO方法【Bai et al. Chin. Phys. B 30 , 023101 (2021)】產(chǎn)生高精度的亞穩(wěn)態(tài)波函數(shù)，綜合考慮了R_∞α²和R_∞α³的領(lǐng)頭階相對(duì)論和量子電動(dòng)力學(xué)的圈圖貢獻(xiàn)，并計(jì)算了R_∞α⁴和R_∞α⁵的高階修正項(xiàng)，從而將π⁴He⁺原子(17, 16) → (16, 15)躍遷頻率的理論預(yù)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(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上，精密測(cè)量院博士研究生白志達(dá)為論文第一作者，俄羅斯聯(lián)合核子研究所Vladimir I. Korobov為第二作者，精密測(cè)量院研究員鐘振祥為通訊作者。

　　該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)B項(xiàng)目“基于原子的精密測(cè)量物理”、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際人才計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

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