在奇异原子中，发现了诱人的奇异之处
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，题图来自：《蚁人》剧照
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正电子是电子的反粒子，这两种拥有相反电荷的粒子，拥有几乎完全相同的性质。一旦正电子和电子相遇，它们便会发生湮灭。然而，有一种令人费解的粒子却是由一个正电子和一个电子构成的，这种奇异粒子被称为电子偶素。
最近，一项由伦敦大学学院的物理学家发表于《物理评论快报》的新研究表明，实验测得的电子偶素的一种性质，与其理论预测之间存在差异。研究人员认为，这种差异不太可能是由在计算或实验上出现了差错而导致的。如果真是这样，那么这种差异通常是出现了未被发现的新粒子，或存在超越了标准模型的物理学的标志。
然而，面对这样一则可能掀起物理学界巨浪的消息，研究人员表现得十分冷静和克制。他们既没有选择对此进行大肆宣传，也没有在论文中也使用任何类似“新物理学”的字眼。
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电子偶素是由一个带正电的正电子，和一个带负电的电子在轨道上相互环绕而形成的。从某种意义上，它像是一个缺乏原子核的简易原子。
由于不含质子和中子，因此在研究它时，物理学家无需考虑原子核中复杂的强力和弱力，而是可以依据解释了带电粒子是如何相互作用的量子电动力学（QED），来精确预测电子偶素的性质。这样的特性使得电子偶素成为了寻找新物理学的一种理想工具。
带负电的电子（蓝）和带正电的正电子（红）形成电子偶素。| 图片设计：岳岳
和普通原子一样，由于电子偶素中的电子和正电子会从一个量子态跃迁到另一个量子态，因此电子偶素只能根据两个能级之间的差距，以特定的频率吸收和释放光电磁辐射。理论物理学家可以根据QED精确地计算出这些辐射的波长。
从实验物理学的角度来看，电子偶素在自然界中并不存在，所以要进行测量，实验物理学家必须通过向一个目标发射一束正电子，并让这束正电子与目标中的电子相遇来制造电子偶素。即便成功制造出电子偶素，这些原子的存在时间也非常短，因为电子偶素中的电子和正电子会在数百纳秒的时间之内发生相互碰撞，湮灭成一道伽玛射线的闪光。
在新的研究中，物理学家通过捕捉到大约10万个短暂“闪现”的电子偶素，测量了这种简易原子的“精细结构”。原子的精细结构描述了由电子的自旋和相对论效应而产生的能级分裂。但是，要精确地测量电子偶素的精细结构是一项巨大的挑战，因为它们的“寿命”实在太短了。
在新的实验中，研究人员采用了很多措施来提高实验的精准度和减少系统实验误差。在电子偶素被制造出来后，他们需要先用激光对这些粒子进行操控，让它们处于一个适当的能级；然后利用微波来驱动其中的一些粒子，以发生特定的量子跃迁。
在调整了微波的频率之后，研究人员测得，若要让跃迁得以发生，微波辐射的频率需要约为18.50102千兆赫，而不是根据QED预测出的18.49825千兆赫。QED是一门极其精确的学科，所以这看似相差不大的值，却足以引起物理学家的重视。
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对于这样的结果，物理学家的解读非常谨慎。物理学研究中曾屡次出现过一些引人瞩目的“惊人发现”，比如质子大小的差异，宇宙暴涨的迹象，以及出现过的能表明中微子的传播速度比光速更快的证据……这些名噪一时的发现最终都被证明并没有牢靠的依据。
在过往对电子偶素的研究中， 也曾出现过对某一性质的预测值和观察值之间存在差异，但最后这些差异又消失的情况。例如这样的事件就曾发生在对电子偶素的寿命测量上：20世纪90年代，物理学家认为电子偶素的“寿命”比理论预期的要短；然而到了在2003年，当更好的测量方法出现时，这一差异便被解决了。在新的研究中，物理学家排查了所有可能出错的实验环节，但目前仍一无所获。
而另一方面，研究人员认为理论预测结果也没有什么问题。那么这是否意味着需要用新的粒子或新的理论来解释这种差异？然而，这种解释似乎也不太可能。如果真的存在新的粒子，那么在过去其他的一些实验中就应该已经显露出相应的效应。
例如有理论认为，电子偶素的能级有可能受到一种与轴子类似的假想粒子的影响，这是一种很轻的粒子，有望被用来解释暗物质的本质。但如果是这样一种假想粒子导致了这种差异，那么在那些测量电子、μ介子等粒子的磁性时，就应该能观测到某些不寻常的效应……
导致了这种差异的真正原因究竟为何，还需物理学家继续通过理论和实验研究寻找答案。
参考来源：
https://www.sciencemag.org/news/2020/08/tantalizing-oddity-found-exotic-atom-physicists-aren-t-hyping-it?utm_source=newsfromscience%3Dflipboard%3Dflipboard2472675
https://www.sciencenews.org/article/positronium-energy-levels-exotic-atom-physics
https://physics.aps.org/articles/v13/s99
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨
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