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(dá)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(jié)果。結(jié)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(lǐng)域有望將現(xiàn)有π^-介子質(zhì)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(zhì)量上限的精度提高2個量級，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)家湯川秀樹于1935年最先預(yù)言，并被英國實驗物理學(xué)家鮑威爾于1947年在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)，湯川秀樹因此榮獲1949年諾貝爾物理學(xué)獎。π介子是最輕的強子，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)，這給精確測量π-質(zhì)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(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，會將氦原子的一個基態(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。這些獨特的亞穩(wěn)態(tài)軌道與原子核距離較遠(yuǎn)，因此可以保護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成為可能。隨后，剩余的一個電子也被發(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。

　　近年來越來越多的跡象暗示粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型存在危機。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，費米實驗室公布的繆子反常磁矩的測量結(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，費米實驗室再次公布他們對W玻色子質(zhì)量的測量比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期值偏高7個標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量精度最高可達(dá)到1E-6量級。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。帶負(fù)電π介子被氦原子俘獲的實驗研究已經(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(xiàn)有的π介子質(zhì)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(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，這將顯著改善目前已有的π介子質(zhì)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(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)頭階相對論和量子電動力學(xué)的圈圖貢獻(xiàn)，并計算了R_∞α⁴和R_∞α⁵的高階修正項，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《物理評論快報》上，精密測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(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項B項目“基于原子的精密測量物理”、中國科學(xué)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