科学家成功利用奇特原子验证量子电动力学-煤油灯科技

科学家成功利用奇特原子验证量子电动力学

煤油灯科技2023-07-21 22:04

一项最近发表在《物理评论快报》上的研究显示，包括日本河口津宇宙物理和数学研究所（Kavli IPMU）成员在内的国际研究团队成功地进行了一次验证强场量子电动力学的原理性实验，他们运用了先进的X射线探测器，通过对从介子原子发射出的介子特征X射线的能谱进行高精度测量。

这项成功的实验标志着在强电场的背景下验证重要物理定律的关键进展，这是人类尚未人工生成的领域。这项研究中使用了先进的量子技术展示了一种高精度和有效的确定X射线能量的方法，预计将在诸如利用μ原子进行非破坏性元素分析等各个研究领域得到应用。

科学家们一直以来都梦想着发现物理定律。这些定律被找到或提出，用来解释那些不能被现有理论所理解的观察现象。

在许多情况下，探索新的物理学需要发展新的实验技术并提高测量精度。物理定律中经过最精确测试的理论是量子电动力学（QED），它描述了带电粒子和光之间的微观相互作用。科学家们不断地推动着QED在准确描述我们物理现实方面的极限。

在这篇论文中，包括时任日本理化学研究所研究员，现任东京都立大学助理教授的奥村琢马博士，日本原子能机构的助理首席研究员橋本忠志博士，东京都立大学访问研究员辰野秀之，立教大学副教授山田真也，巴黎第十一大学卡斯特勒-布鲁塞尔实验室保罗·因德利卡托教授，东京大学東京大学Ｋａｖｌｉ物质宇宙研究所高桥只行教授，日本原子能机构材料结构科学研究所下村康一朗教授，中部大学岡田真司教授等学者合作，在J-PARC设施中向氖气注入低速负电子_beam，然后利用一个超导转变边缘传感器（TES）探测器精确测量了由源自负电子辐射出来的特征X射线的能量。

通过充分利用TES探测器的出色能量分辨率，成功确定了μ子特征X射线的能量，并其绝对不确定度小于1/10,000，同时还以高精度（5.8%）成功验证了强场量子电动力学中真空极化的贡献。

TES探测器最初是为太空X射线观测而研发的。高桥目前在Kavli IPMU进行的项目旨在利用该探测器进行前所未有的跨学科研究。他的团队包括Kavli IPMU助理教授武田真一郎、项目研究员桂川美穗和参与μ子实验的研究生峰海。

这项合作通过使用μ子原子进行实验技术的展示，预计将在强电场下量子电动力学验证研究中迈出巨大的一步。

该研究的细节已于2023年4月27日日本时间在线发布，在科学杂志《物理评论快报》中的发表之前（2023年4月27日日本时间）。

背景

量子电动力学（QED）的效应在具有强电场的环境中更加显著，然而在这种情况下，理论计算变得更加困难。因此，强电场环境对于QED的验证而言是非常重要的。

多年来，人们一直进行使用高度带电离子（HCIs）进行实验，这些离子是被剥离了多个电子的原子，此举旨在创造一个强大的电场环境。随着原子序数的增加，HCIs中束缚电子所感受到的电场变得更强，而众多电子的剥离削弱了屏蔽效应。

大型加速器用于人机交互研究仍然被积极追求。然而，即使对于具有大原子数的人机交互，核子有限大小的影响也不可忽视。有人指出，这种影响并没有被确切地了解，因此实验结果与理论相比的量子电动力学验证的准确性受到了极大的妥协。

研究方法论与结果

为了在强电场中以一种不同于高能离子中子弹的方式验证QED，国际研究小组已经将目光聚焦于“奇特原子”。在这些奇特原子中，一个带负电荷的粒子被束缚在原子核附近，而不是电子周围。在众多的奇特原子中，mu子原子由负mu子（一种质量约为电子200倍的基本粒子）和原子核组成。负mu子如今可以从大型加速器中提取为束流。

缪子原子的特点是负缪子与原子核之间极其密集的相互接近，绑定的缪子轨道半径约为绑定电子的1/200。因此，缪子所感受到的电场强度大约是相同量子能级的HCI中绑定电子所感受到的电场强度的大约40,000倍，由此产生了巨大的量子电动力学效应。

另外，通过使用占据高角动量量子级别且与原子核之间重叠较小的负缪子，可以进行实验，从而在很大程度上抑制了原子核有限大小的影响。通过精确测量贪恋原子从一个特定能级向低能级退激时所发射的贪恋特征X射线的能量，可以在强电场下验证量子电动力学（QED）（图1）。

因此，μ子原子是强场量子电动力学验证的一个有前景的实验目标。然而，有几个问题需要克服。其中最大的问题是需要在一个孤立的环境中准备出一定数量的μ子原子。在μ子原子周围存在的其他原子或分子可能引起快速的电子转移并改变μ子特征X射线的能量。解决方案是使用稀薄的气体靶物质，即低数密度（低压），但这样做会减少产生的μ子原子数量并降低μ子特征X射线的强度。

这个国际研究团队在日本常磐村的日本质子加速器研究复合体（J-PARC）进行了一系列实验，该地区拥有全球最强烈的低速μ子束。为了确保即使在低强度μ子特征X射线下也能准确确定能量，实验采用了超导过渡边缘传感器（TES）微量热计，这是一种高效且具有高分辨率的X射线探测器。

通过使用稀有气体氖（10Ne）原子作为靶，他们在0.1大气压稀释条件下成功实现了比传统半导体探测器更高一个数量级的能量分辨率（FWHM：5.2 eV），并成功测量了宇子特征X射线（图2）。所显示的峰主要是由六个不同跃迁的宇子特征X射线的重叠所致，通过分析它们各自的贡献，宇子特征X射线的能量被精确确定为0.002%。