近日，现代物理研究所沈成平教授与合作者提出了寻找陶原子的全新方案，研究成果以“Novel method for identifying the heaviest QED atom”为题在综合性期刊Science Bulletin上发表[Science Bulletin 69 (2024) 1386]。

  氢原子曾一度被认为是自然界中最简单的原子，由电子与有内部结构的质子组成。然而，随着研究的深入，科学家们发现了一种更为简单的原子类型，即由无内部结构的电子（e^-）、缪子（μ^-）或陶子（τ^-）与它们同样无结构的反粒子组成的纯电磁相互作用原子。这些原子仅通过电磁相互作用紧密结合，结构比氢原子更简单，它们的存在为研究量子力学、基本对称性和引力等科学问题提供了全新的视角。

  迄今为止，已经发现的纯电磁相互作用原子只有两种，分别是1951年发现的电子反电子束缚态（Phys Rev 1951;82:455）和1960年发现的电子反缪子束缚态（Phys Rev Lett 1960;5:63）。在过去的64年内，尽管人们提出了在宇宙射线中和在高能对撞机中寻找等方案，但是并未发现其它纯电磁相互作用原子的迹象。

陶原子由陶子和反陶子组成，其玻尔半径仅为30.4飞米（1飞米=10^-15米），约为氢原子玻尔半径的1/1741。这意味着陶原子可以在更小的尺度上检验量子力学和量子电动力学的基本原理，是探索微观物质世界奥秘的有力工具。

  沈成平教授与合作者在论文中提出了发现陶原子的新方案。这一全新的研究方案指出，利用正负电子对撞机在陶子对产生阈值附近采集1.5 ab^-1数据，通过选择含有带电粒子并伴随未探测到的中微子带走能量的一类特殊事例，经过精密的数据分析和处理，观测到陶原子的信号显著性将大于5σ，这意味着陶原子的存在可以得到强有力的实验证据。

  该研究发现，利用相同的数据可将陶轻子质量的测量精度提升到前所未有的1 keV水平，比目前实验测量的最高精度提高两个数量级。这一成果不仅有助于精确检验标准模型的电弱理论，还将对轻子普适性等基本物理问题产生深远影响。

  该寻找陶原子的新方案可作为中国超级陶粲装置（STCF）或俄罗斯超级粲陶工厂（SCTF）的重要物理目标之一：即通过在陶子对产生阈值附近运行一年发现最重的纯电磁相互作用原子，并高精度测量陶轻子质量。这些发现将为人类对微观世界的探索带来更加深入的洞察和理解。

  该工作由复旦大学、北京航空航天大学、中科院高能物理研究所、东南大学、辽宁师范大学研究人员合作完成。我所沈成平教授、北京航空航天大学张玉洁教授和中科院高能物理研究所苑长征研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金委员会和中央高校基本科研业务费的经费支持。

正负电子对撞机在陶子对阈值产生由陶子和反陶子组成的陶原子示意图。

（文章信息）

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927324002214?via%3Dihub