近日，精密测量院少体精密谱理论团队完成π⁴He⁺奇异原子 (17, 16) → (16, 15) 跃迁频率的理论计算，精度达到十亿分之四 (4E-9)，这是目前世界上跃迁频率的理论计算最精确的结果。结合瑞士保罗谢勒研究所 (PSI) 正在进行的高精度实验测量，该研究领域有望将现有π^-介子质量精度提高2-3个量级。利用π⁺介子衰变实验可以进一步将中微子质量上限的精度提高2个量级，这将为解决中微子质量之谜提供重要信息。

　　π介子由日本京都大学理论物理学家汤川秀树于1935年最先预言，并被英国实验物理学家鲍威尔于1947年在宇宙射线中发现，汤川秀树因此荣获1949年诺贝尔物理学奖。π介子是最轻的强子，也是介子中最轻最重要的一种，质量为电子的273倍，是传递核力的中间粒子，自旋为0，有三种：π⁺，π⁰，π^-。π介子是不稳定粒子，其中π-介子寿命仅有26纳秒(一亿分之一秒)，这给精确测量π-质量带来了巨大困难。

　　利用激光探测奇异π介子氦原子示意图

　　在鲍威尔发现宇宙射线中π介子的同年，“原子能之父”著名物理学家费米等人预言π-介子取代正常原子中的电子后可以形成各种奇异原子。这些奇异原子像“容器”一样将π^-介子存储在分立原子轨道上，使我们可以利用激光技术加以研究。PSI 拥有领先世界的高亮度 1.3 MW 质子环形回旋加速器，这使得 PiHe 合作组能够获得高通量的π-介子束流。如图所示，π^-介子束流轰击氦靶，会将氦原子的一个基态电子敲掉并占据该电子的空间位置，并被较为稳定的亚稳态轨道“囚禁”起来。这些独特的亚稳态轨道与原子核距离较远，因此可以保护π^-介子在几十纳秒之内不被原子核俘获，这使得激光光谱探测成为可能。随后，剩余的一个电子也被发射出去，π^-介子落入低轨道并被原子核吸收，核裂变反应产生质子、中子和氘核。

　　近年来越来越多的迹象暗示粒子物理标准模型存在危机。而π介子衰变反应中涉及的缪子和W 玻色子都表现出与标准模型存在偏差的行为。2021 年4 月7 日，费米实验室公布的缪子反常磁矩的测量结果比标准模型的理论预言大了4.2 倍标准差。整整一年后的2022 年4 月7日，费米实验室再次公布他们对W玻色子质量的测量比标准模型预期值偏高7个标准差。因此，对于π介子的研究就显得更加重要。

　　目前，X射线法测得的π介子质量精度最高可达到1E-6量级。研究表明，亚稳态π介子氦激光光谱方法有望将π介子质量提高更高量级。带负电π介子被氦原子俘获的实验研究已经有60多年的历史。直到2020年，亚稳态π介子氦存在的直接证据才被PSI的激光光谱学实验证实。他们探测到了π⁴He⁺原子(17, 16) → (17, 15)跃迁的频率。虽然测量精度还不足以改善现有的π介子质量，但这无疑是一个好的开端。而通过选取更窄自然线宽的(17, 16) → (16, 15)跃迁，未来亚稳态π介子氦激光光谱方法有望将π介子质量提高到1E-9量级，这将显著改善目前已有的π介子质量。为此，理论上对该跃迁频率进行计算是必须的。

　　精密测量院少体理论团队基于自己发展的CCR-GO方法【Bai et al. Chin. Phys. B 30 , 023101 (2021)】产生高精度的亚稳态波函数，综合考虑了R_∞α²和R_∞α³的领头阶相对论和量子电动力学的圈图贡献，并计算了R_∞α⁴和R_∞α⁵的高阶修正项，从而将π⁴He⁺原子(17, 16) → (16, 15)跃迁频率的理论预言值精度提高到十亿分之四（4E-9）。

　　该成果于以“Precision spectroscopy of the pionic helium-4”为题发表在《物理评论快报》上，精密测量院博士研究生白志达为论文第一作者，俄罗斯联合核子研究所Vladimir I. Korobov为第二作者，精密测量院研究员钟振祥为通讯作者。

　　该研究得到了国家自然科学基金、中科院先导专项B项目“基于原子的精密测量物理”、中国科学院国际人才计划等项目的支持。

　　论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.183001