Tauonium:Det mindste og tungeste atom med ren elektromagnetisk interaktion

Brintatomet blev engang betragtet som det enkleste atom i naturen, sammensat af en strukturløs elektron og en struktureret proton. Men efterhånden som forskningen skred frem, opdagede forskerne en enklere type atom, bestående af strukturløse elektroner, muoner eller tauoner og deres lige så strukturløse antipartikler. Disse atomer er bundet sammen udelukkende af elektromagnetiske vekselvirkninger med enklere strukturer end brintatomer, hvilket giver et nyt perspektiv på videnskabelige problemer såsom kvantemekanik, fundamental symmetri og tyngdekraft.

Til dato er der kun blevet opdaget to typer atomer med rene elektromagnetiske vekselvirkninger:den elektron-positronbundne tilstand opdaget i 1951 og den elektron-antimuonbundne tilstand opdaget i 1960. I løbet af de sidste 64 år har der ikke været andre tegn på sådanne. atomer med rene elektromagnetiske vekselvirkninger, selvom der er nogle forslag til at søge efter dem i kosmiske stråler eller højenergikolliderer.

Tauonium, sammensat af en tauon og dens antipartikel, har en Bohr-radius på kun 30,4 femtometer (1 femtometer =10 ^-15 meter), cirka 1/1.741 af Bohr-radius af et hydrogenatom. Dette indebærer, at tauonium kan teste de grundlæggende principper for kvantemekanik og kvanteelektrodynamik i mindre skalaer, hvilket giver et kraftfuldt værktøj til at udforske mysterierne i den mikromaterielle verden.

For nylig blev en undersøgelse med titlen "Novel method for identifikation af det tungeste QED-atom" offentliggjort i Science Bulletin , der foreslår en ny tilgang til at opdage tauonium.

Undersøgelsen viser det ved at indsamle data på 1,5 ab ^-1 nær tærsklen for tauonparproduktion ved en elektron- og positronkolliderer og udvælgelse af signalbegivenheder indeholdende ladede partikler ledsaget af de uopdagede neutrinoer, der transporterer energi, vil betydningen af ​​at observere tauonium overstige 5σ. Dette indikerer stærke eksperimentelle beviser for eksistensen af ​​tauonium.

Undersøgelsen fandt også, at ved hjælp af de samme data kan præcisionen af ​​måling af tau leptonmassen forbedres til et hidtil uset niveau på 1 keV, to størrelsesordener højere end den højeste præcision opnået ved nuværende eksperimenter. Denne præstation vil ikke kun bidrage til den præcise afprøvning af den elektrosvage teori i standardmodellen, men vil også have dybtgående implikationer for fundamentale fysikspørgsmål, såsom leptonsmagsuniversalitet.

Denne præstation tjener som et af de vigtigste fysiske mål for den foreslåede Super Tau-Charm Facility (STCF) i Kina eller Super Charm-Tau Factory (SCTF) i Rusland:at opdage det mindste og tungeste atom med rene elektromagnetiske interaktioner ved at køre maskinen nær tauon-partærsklen i et år og måle tau leptonmassen med høj præcision.

Flere oplysninger: Jing-Hang Fu et al., Ny metode til at identificere det tungeste QED-atom, Science Bulletin (2024). DOI:10.1016/j.scib.2024.04.003

Leveret af Science China Press