用奇异原子验证的量子电动力学

包括Kavli宇宙物理与数学研究所(Kavli IPMU)在内的研究人员的国际合作成功地通过对使用最先进的X射线探测器发射的μ子特征X射线的能谱进行高精度测量，成功地验证了具有奇异原子的强场量子电动力学，《物理评论快报》上的一项新研究报道。

该小组的结果是朝着验证强电场下的基本物理定律迈出的重要一步，人类尚未能够人工创造这种电场。本研究采用最先进的量子技术，高效、准确的X射线能量测定方法有望应用于各种研究领域，如使用μ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的梦想。它们被发现或提出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开发新的实验技术和提高测量的准确性。最精确测试的物理定律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。科学家们不断挑战QED准确描述我们物理现实的极限。

在本文中，该合作将来自J-PARC设施的低速负μ介子束注入氖气中，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μ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的绝对不确定度测定了μ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在强场量子电动力学中的贡献。

TES探测器最初是为空间X射线观测而开发的。Takahashi目前在Kavli IPMU的项目是使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和参与μ介子实验的研究生Kairi Mine。

该合作对使用μ子原子的实验技术的演示有望在强电场下QED验证的研究方面取得巨大飞跃。

该研究的细节发表在《物理评论快报》杂志上。

QED的影响在具有强电场的环境中更为明显，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验证非常重要。多年来，使用高电荷离子(HCI)的实验，即被剥夺了多个电子的原子，作为实现强电场环境的方法。

随着原子序数变大，HCI中结合电子感受到的电场变得更强，并且许多电子的剥离抑制了屏蔽效应。使用大型加速器的HCI研究仍在大力进行。然而，即使对于原子序数较大的HCI，原子核有限尺寸的影响也不容忽视。有人指出，这种效应并不精确，因此将实验结果与理论进行比较的QED验证的准确性受到很大损害。

为了以与HCI不同的方式验证强电场下的QED，国际研究小组专注于“奇异原子”，其中带负电荷的粒子与原子核而不是电子结合。在各种奇异原子中，μ子原子由负μ介子(比电子重约200倍的基本粒子)和原子核组成。

负μ介子现在可以从大型加速器中提取为光束。μ子原子的特征是负μ介子与原子核非常接近，束缚μ介子的轨道半径约为束缚电子的1/200。

结果，μ介子感受到的电场比HCI中相同量子能级的束缚电子感受到的电场强约40，000倍，从而产生了巨大的QED效应。此外，通过使用负μ介子，其占据高角动量量子能级，与原子核重叠小，可以进行实验，其中原子核有限尺寸的影响在很大程度上受到抑制。通过精确测量μ子原子从特定能级到较低能级去激发时发射的μ子特征X射线的能量，可以在强电场下验证QED(图1)。

因此，μ子原子是强场QED验证的一个有希望的实验目标。但是，有几个问题需要克服。最大的问题是必须在隔离的环境中制备许多μ子原子。μ子原子附近的原子或分子的存在可能导致快速的电子转移并改变μ子特征X射线的能量。解决方案是使用具有小数密度(低压)的稀气体靶，但产生的μ子原子的数量和产生的μ子特征X射线的强度会降低。

国际研究小组在茨城县东海村的日本质子加速器研究综合体(J-PARC)进行了实验，那里有世界上最强烈的低速μ介子束。为了使用低强度μ子特征X射线也能足够准确地确定能量，使用超导过渡边缘传感器(TES)微量热仪进行了实验，这是一种高效和高分辨率的X射线探测器。

使用稀有气体氖(10Ne)原子为目标，在11.5个大气压的稀释条件下，它们获得了比传统半导体探测器(FWHM [2]：0.1 eV)高一个数量级的能量分辨率，并成功测量了μ子特征X射线(图2)。显示的峰值主要是由于来自六个不同跃迁的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，将μ子特征X射线的能量确定为0.002%的高精度。

他们在改变氖气目标压力的同时重复测量(图3)，并确认无论氖气目标的压力如何，μ子X射线的能量在实验误差内都是恒定的。

因此，可以得出结论，μ子氖原子处于孤立的环境中。他们将最新的理论计算与实验结果进行了比较，并确认他们在实验误差范围内一致。研究人员成功地验证了真空极化在强电场下的效果，精度高达5.8%。这与使用多电荷铀离子U的强场QED精度相当91+，这是迄今为止最准确的观察结果。