Väteatomen ansågs en gång vara den enklaste atomen i naturen, sammansatt av en strukturlös elektron och en strukturerad proton. Men allt eftersom forskningen fortskred upptäckte forskare en enklare typ av atom, bestående av strukturlösa elektroner, myoner eller tauoner och deras lika strukturlösa antipartiklar. Dessa atomer är bundna samman enbart av elektromagnetiska interaktioner, med enklare strukturer än väteatomer, vilket ger ett nytt perspektiv på vetenskapliga problem som kvantmekanik, fundamental symmetri och gravitation.
Hittills har endast två typer av atomer med rena elektromagnetiska interaktioner upptäckts:det elektron-positronbundna tillståndet som upptäcktes 1951 och det elektron-antimuonbundna tillståndet som upptäcktes 1960. Under de senaste 64 åren har det inte funnits några andra tecken på sådana atomer med ren elektromagnetisk interaktion, även om det finns några förslag för att söka efter dem i kosmiska strålar eller högenergikolliderare.
Tauonium, som består av en tauon och dess antipartikel, har en Bohr-radie på endast 30,4 femtometer (1 femtometer =10 -15 meter), ungefär 1/1 741 av Bohr-radien för en väteatom. Detta innebär att tauonium kan testa de grundläggande principerna för kvantmekanik och kvantelektrodynamik i mindre skalor, vilket ger ett kraftfullt verktyg för att utforska mysterierna i den mikromateriella världen.
Nyligen publicerades en studie med titeln "Novel method for identifiing the heaviest QED-atom" i Science Bulletin , och föreslår ett nytt tillvägagångssätt för att upptäcka tauonium.
Studien visar det genom att samla in data på 1,5 ab -1 nära tröskeln för tauonparproduktion vid en elektron- och positronkolliderare och väljande signalhändelser som innehåller laddade partiklar åtföljda av de oupptäckta neutrinerna som transporterar bort energi, kommer betydelsen av att observera tauonium att överstiga 5σ. Detta indikerar starka experimentella bevis för förekomsten av tauonium.
Studien fann också att med samma data kan precisionen för att mäta tauleptonmassan förbättras till en aldrig tidigare skådad nivå av 1 keV, två storleksordningar högre än den högsta precision som uppnåtts av nuvarande experiment. Denna prestation kommer inte bara att bidra till den exakta testningen av den elektrosvaga teorin i standardmodellen utan också ha djupgående implikationer för grundläggande fysikfrågor såsom leptonsmaksuniversalitet.
Denna prestation fungerar som ett av de viktigaste fysiska målen för den föreslagna Super Tau-Charm Facility (STCF) i Kina eller Super Charm-Tau Factory (SCTF) i Ryssland:att upptäcka den minsta och tyngsta atomen med ren elektromagnetisk interaktion genom att springa maskinen nära tauon-partröskeln i ett år och för att mäta tau leptonmassan med hög precision.
Mer information: Jing-Hang Fu et al, Ny metod för att identifiera den tyngsta QED-atomen, Science Bulletin (2024). DOI:10.1016/j.scib.2024.04.003
Tillhandahålls av Science China Press
