奇異π介子氦原子精密譜理論精度提高到十億分之四

　　近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院少體精密譜理論團隊完成π4He+奇異原子(17, 16) → (16, 15) 躍遷頻率的理論計算，精度達到十億分之四 (4E-9)，這是目前世界上躍遷頻率理論計算最精確的結果。結合瑞士保羅謝勒研究所（PSI）正在進行的高精度實驗測量，該研究有望將現有π-介子質量精度提高2-3個量級。利用π+介子衰變實驗可進一步將中微子質量上限的精度提高2個量級，將為解決中微子質量之謎提供重要信息。

　　π介子由日本理論物理學家湯川秀樹于1935年最先預言，并被英國實驗物理學家鮑威爾于1947年在宇宙射線中發現。π介子是最輕的強子之一，也是介子中最輕、最重要的一種，質量為電子的273倍，是傳遞核力的中間粒子，自旋為0，有三種（π+、π0、π-）。π介子是不穩定粒子，其中π-介子壽命僅有26納秒（一億分之一秒），這對精確測量π-質量帶來了困難。

　　近年來，越來越多的跡象暗示粒子物理標準模型存在危機。而π介子衰變反應中涉及的μ子和W玻色子都表現出與標準模型存在偏差的行為。2021年，費米實驗室測量的μ子反常磁矩比標準模型的理論預言大了4.2倍標準差。2022年，費米實驗室測量的W玻色子質量比標準模型預期值偏高7個標準差。因此，關于π介子的研究顯得更加重要。

　　目前，X射線法測得的π介子質量精度最高可達到1E-6量級。研究表明，亞穩態π介子氦激光光譜方法有望將π介子質量測量到更高精度。帶負電π介子被氦原子俘獲的實驗研究已有60多年歷史。直到2020年，亞穩態π介子氦存在的直接證據才被瑞士保羅謝勒研究所的激光光譜學實驗證實。研究探測到π4He+原子(17, 16) → (17, 15)躍遷的頻率。雖然測量精度不足以改善現有的π介子質量，但這無疑是良好的開端。該研究所正在開展更窄自然線寬的(17, 16) → (16, 15)躍遷測量，有望將光譜精度提高到1E-9量級。為了從中提取π介子質量，理論上對該躍遷頻率進行計算是必須的。

　　精密測量院少體理論團隊基于自己發展的CCR-GO方法【Bai et al., Chin. Phys. B, 30, 023101 (2021)】產生高精度的亞穩態波函數，綜合考慮R∞α2和R∞α3的領頭階相對論和量子電動力學的貢獻，并計算R∞α4和R∞α5的高階修正項，從而將π4He+原子(17, 16) → (16, 15)躍遷頻率的理論預言值精度提高到十億分之四（4E-9）。

　　相關研究成果以Precision spectroscopy of the pionic helium-4為題，發表在《物理評論快報》上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）“基于原子的精密測量物理”、中科院國際人才計劃等的支持。俄羅斯聯合核子研究所科研人員參與研究。

利用激光探測奇異π介子氦原子示意圖