科学家成功使用外来原子验证量子电动力学

　　图示子原子和量子电动力学(QED)效应。来源:日本

　　根据最近发表在《物理评论快报》上的一项研究，一个国际研究小组，包括来自Kavli宇宙物理和数学研究所(Kavli IPMU)的成员，已经成功地在一个原理证明实验中验证了外来原子中的强场量子电动力学。这一壮举是通过使用复杂的x射线探测器对μ子原子发射的μ子特征x射线的能谱进行高精度测量而完成的。

　　这个成功的实验标志着在强电场背景下验证关键物理定律的关键进展，这是一个尚未由人类人工产生的领域。在这项研究中，使用尖端量子技术演示的高精度和有效的x射线能量测定方法有望应用于各种研究领域，例如使用介子原子的非破坏性元素分析方法。

　　发现物理定律一直是科学家们的梦想。它们被发现或提出用来解释现有理论无法理解的观察到的现象。

　　在许多情况下，新物理学的发现需要发展新的实验技术和提高测量的准确性。最精确的物理定律测试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。科学家们一直在挑战量子力学理论在多大程度上准确地描述了我们的物理现实。

　　在本文中，合作人员包括:Takuma Okumura博士(研究时为理研博士后研究员，现为东京都大学助理教授)、Toshiyuki Azuma教授(理研首席科学家)、日本原子能机构(JAEA)的Tadashi Hashimoto博士(助理首席研究员)、东京都大学访问研究员Tatsuno秀之、立教大学副教授山田新也、Kastler-Brossel实验室的Paul Indelicato教授，东京大学Kavli IPMU的Tadayuki Takahashi教授，KEK材料结构科学研究所的Koichiro Shimomura教授，中部大学的Shinji Okada教授，从J-PARC设施向氖气注入了低速负介子束。并使用超导过渡边缘传感器(TES)探测器精确测量了由此产生的介子氖(Ne)原子发射的特征x射线的能量。

　　充分利用TES探测器优异的能量分辨率，以小于1/10,000的绝对不确定度确定了介子特征x射线的能量，并以5.8%的高精度成功验证了真空极化对强场量子电动力学的贡献。

　　TES探测器最初是为空间x射线观测而开发的。高桥目前在Kavli IPMU的项目是利用这种探测器进行前所未有的跨学科研究。他的团队包括Kavli IPMU项目助理教授Shin 'ichiro Takeda，项目研究员Miho Katsuragawa和参加μ子实验的研究生Kairi Mine。

　　此次合作对使用介子原子的实验技术的演示有望导致强电场下QED验证研究的巨大飞跃。

　　在科学杂志《物理评论快报》(日本时间2023年4月27日)发表之前，该研究的详细信息已在网上发表(日本时间2023年4月27日)。

　　背景

　　QED的影响在强电场环境中更为明显，但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的验证是非常重要的。

　　多年来，利用剥离了多个电子的高电荷离子(hci)作为实现强电场环境的一种方法进行了实验。原子序数越大，束缚电子感受到的电场越强，屏蔽效应被剥离的电子所抑制。

　　使用大型加速器的HCI研究仍在积极进行。然而，即使对于原子序数较大的hci，原子核有限大小的影响也不能忽视。有人指出，这种效应是不精确地知道的，因此，QED验证的准确性，比较实验结果与理论，大大打折扣。

　　研究方法与结果

　　为了以不同于hci的方式验证强电场下的QED，国际研究小组将重点放在了“外来原子”上，在这种原子中，带负电荷的粒子与原子核而不是电子结合在一起。在各种奇异原子中，介子原子由负介子(比电子重约200倍的基本粒子)和原子核组成。现在可以从大型加速器中提取负μ子作为光束。

　　介子原子的特点是负介子与原子核的距离非常近，一个被束缚的介子的轨道半径大约是一个被束缚的电子的轨道半径的1/200。因此，μ子感受到的电场比HCI中相同量子水平的束缚电子感受到的电场强约4万倍，从而产生了巨大的QED效应。

　　此外，利用与原子核重叠小、占据高角动量量子能级的负μ子，可以在很大程度上抑制原子核有限大小的影响。通过精确测量当μ子原子从特定能级退激到更低能级时所发射的μ子特征x射线的能量，可以在强电场下验证QED(图1)。

　　图示子原子和量子电动力学(QED)效应。在介子原子中，负介子(?-)与原子核结合并绕其运行。根据量子电动力学，束缚的负介子继续其轨道运动，同时反复发射和吸收虚光子(自能:SE)。此外，氖核(Ne10+)和负介子之间存在静电吸引，通过这种相互作用传播的光子不断重复虚电子-正电子(e±)对(真空极化:VP)的产生和湮灭。在这项研究中，我们精确地测量了负介子退激到较低状态时所发射的介子特征x射线的能量。来源:Okumura et al。

　　因此，在强场QED验证中，介子原子是一个很有前途的实验目标。然而，有几个问题需要克服。最大的问题是一定数量的介子原子必须在一个孤立的环境中制备。在介子原子附近的原子或分子的存在可能引起快速的电子转移并改变介子特征x射线的能量。解决方案是使用密度较小(低压)的稀释气体靶，但产生的μ子原子的数量和由此产生的μ子特征x射线的强度都会降低。

　　这个国际研究小组在茨城县东海村的日本质子加速器研究中心(J-PARC)进行了实验，那里有世界上最强烈的低速μ介子束。为了在低强度的介子特征x射线下也能以足够的精度确定能量，实验采用了超导跃迁边缘传感器(TES)微热量计，这是一种高效、高分辨率的x射线探测器。

　　他们利用稀有气体氖(10Ne)原子作为目标，获得了比传统半导体探测器(FWHM)高一个数量级的能量分辨率。5.2 eV)，在0.1 atm的稀释条件下成功测量了μ子特征x射线(图2)。所示的峰主要是由于六个不同跃迁的μ子特征x射线的重叠，通过分析每个μ子特征x射线的贡献，确定了μ子特征x射线的能量，精度高达0.002%。

　　介子特征x射线能量与氖气压力的关系及其与最新理论计算的比较。在氖气靶的压力下绘制了介子特征x射线的能量。在实验误差范围内，没有观察到与压力相关的能量变化，表明介子-氖原子处于孤立的环境中。精确的介子特征x射线能量测量结果与最新的理论计算结果非常吻合。来源:Okumura et al。

　　他们在改变氖气靶的压力的同时重复了测量(图3)，并证实了无论氖气靶的压力如何，μ子x射线的能量在实验误差范围内是恒定的。因此，可以得出介子氖原子处于孤立环境的结论。

　　介子特征x射线能量与氖气压力的关系及其与最新理论计算的比较。在氖气靶的压力下绘制了介子特征x射线的能量。在实验误差范围内，没有观察到与压力相关的能量变化，表明介子-氖原子处于孤立的环境中。精确的介子特征x射线能量测量结果与最新的理论计算结果非常吻合。来源:Okumura et al。

　　他们将最新的理论计算结果与实验结果进行了比较，证实两者在实验误差范围内是一致的。我们成功地验证了真空极化在强电场作用下的效应，精度达到了5.8%。这与使用多重带电铀离子U91+的强场QED的精度相当，这是迄今为止最精确的观测。

　　参考文献:T. Okumura et al.“用外来原子测试强场量子电动力学的原理验证实验:μ子氖的高精度x射线光谱”，2023年4月27日，物理评论快报。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.173001