图形摘要。图片来源：Science Bulletin （2024）。DOI： 10.1016/j.scib.2024.04.003

氢原子曾经被认为是自然界中最简单的原子，由无结构电子和结构质子组成。然而，随着研究的进展，科学家们发现了一种更简单的原子类型，由无结构电子、μ介子或tau介子及其同样无结构的反粒子组成。这些原子仅通过电磁相互作用结合在一起，其结构比氢原子更简单，为量子力学、基本对称性和引力等科学问题提供了新的视角。

迄今为止，只发现了两种具有纯电磁相互作用的原子：1951年发现的电子-正电子束缚态和1960年发现的电子-反μ子束缚态。在过去的64年中，没有其他迹象表明这种原子具有纯电磁相互作用，尽管有一些建议在宇宙射线或高能对撞机中寻找它们。

Tauonium 由 tauon 及其反粒子组成，玻尔半径仅为 30.4 飞米（1 飞米 = 10-15米），大约是氢原子玻尔半径的 1/1,741。这意味着tauonium可以在更小的尺度上测试量子力学和量子电动力学的基本原理，为探索微材料世界的奥秘提供了强大的工具。

近日，一项题为“识别最重QED原子的新方法”的研究发表在《科学通报》上，提出了一种发现tauonium的新方法。

研究表明，通过收集 1.5 ab 的数据-1在电子和正电子对撞机上接近tauon对产生的阈值，并选择包含带电粒子的信号事件，并伴有未检测到的中微子带走能量，观测tauonium的意义将超过5σ。这表明tauonium存在的有力实验证据。

该研究还发现，使用相同的数据，测量tau轻子质量的精度可以提高到前所未有的1 keV水平，比当前实验达到的最高精度高出两个数量级。这一成果不仅有助于在标准模型中精确测试电弱理论，而且对轻子风味普遍性等基本物理问题具有深远的影响。

这一成就是拟议的中国超级 Tau-Charm 设施 （STCF） 或俄罗斯超级 Tau-Tau 工厂 （SCTF） 最重要的物理目标之一：通过在 tauon 对阈值附近运行机器一年，发现具有纯电磁相互作用的最小和最重的原子，并高精度测量 tau 轻子质量。

更多信息：Jing-Hang Fu 等人，识别最重 QED 原子的新方法，Science Bulletin （2024）。DOI： 10.1016/j.scib.2024.04.003