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π介子氦原子的激光光谱学

DOI：10.1038/s41586-020-2240-x 期刊：Nature 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:21:01
摘要： 带电π介子是质量最轻、寿命最长的介子。当原子中的轨道电子被带负电的介子取代时，就会形成介原子。对这些原子进行激光光谱分析，应能高精度测定介子的质量等特性，并可为涉及介子的奇异力设定上限（正如其他反质子实验中所做的那样）。特别是测定π?介子的质量，有助于直接实验约束μ子反中微子的质量。然而，由于可合成的介原子数量极少，且其吸收介子进入原子核的典型寿命极短（不足一皮秒），此前从未实现过介原子的激光激发。亚稳态π介子氦（π?He?）是一种假想的三体原子，由氦-4原子核、一个电子和一个占据大主量子数（n≈16）与大轨道角动量量子数（l≈n?1）里德伯态的π?组成。理论预测π?He?原子具有异常长的纳秒级寿命，这为开展激光光谱分析提供了可能。由于自旋为零的π?与?He原子核之间不存在超精细相互作用，其原子结构具有独特性。我们通过在超流氦靶中合成π?He?，并利用183,760吉赫兹的近红外共振频率激发π?占据的π?He?轨道(n,l)=(17,16)→(17,15)跃迁。激光引发的电磁级联过程最终导致原子核吸收π?并发生裂变。通过探测释放的中子、质子和氘核碎片信号，证实了原子中激光诱导共振的存在，从而确认了π?He?的存在。这项工作使得量子光学实验技术能够应用于介子研究。
作者： Masaki Hori，Hossein Aghai-Khozani，Anna Sótér，Andreas Dax，Daniel Barna
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

为了展示对π介子氦原子（π?He?）的激光光谱研究，并高精度测定π?介子的质量及其他性质，从而可能为涉及介子的奇异力设定上限，并为μ子反中微子的质量提供直接的实验约束。

研究成果

π?He?原子激光光谱的成功演示为利用量子光学技术研究介子开辟了新途径。该实验确认了π?He?的存在及其独特的原子结构，为未来高精度测量π?介子质量及其他特性铺平了道路。

研究不足

由于可合成的π?He?原子数量稀少，且这些原子在介子被核吸收时寿命短暂，该实验面临诸多挑战。此外，测量精度还受到π?质量不确定度及原子碰撞效应的限制。

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