铊具有纯电磁相互作用的最小和最重的原子

氢原子曾被认为是自然界中最简单的原子，由无结构的电子和有结构的质子组成。然而，随着研究的进展，科学家发现了一种更简单的原子，由无结构的电子 ( e - )、μ 子 ( μ - ) 或 τ 子 ( τ - ) 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，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，仅发现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(Phys Rev 1951;82:455)和 1960 年发现的电子-反μ子束缚态(Phys Rev Lett 1960;5:63)。在过去的 年里，没有发现其他具有纯电磁相互作用的原子的迹象，尽管有人提议在宇宙射线或高能对撞机中寻找它们。

由一个 tauon 及其反粒子组成的 tauonium 的玻尔半径仅为 30.4 飞米(1 飞米 = 10 -15 米)，约为氢原子玻尔半径的 1/1741。这意味着 tauonium 可以在更小的尺度上检验量子力学和量子电动力学的基本原理，为探索微观物质世界的奥秘提供有力工具。

近日，综合期刊《科学通报》刊登了一篇题为《识别最重QED原子的新方法》的研究，提出了一种发现铊的新方法。该研究表明，通过在电子和正电子对撞机上收集接近铊子对产生阈值的1.5 ab-1数据，并选取包含未被探测到的中微子带走能量的带电粒子的信号事件，观测到铊的意义将超过5σ。这为铊的存在提供了强有力的实验证据。

研究还发现，利用同样的数据，τ轻子质量测量精度可提高到前所未有的1keV，比目前实验所能达到的最高精度高出两个数量级。这一成果不仅有助于精确检验标准模型中的电弱理论，还将对轻子味普适性等基础物理问题产生深远影响。

此项成果是拟建中的中国超级陶-粲装置(STCF)和俄罗斯超级粲-陶工厂(SCTF)最重要的物理目标之一：通过在陶子对阈值附近运行一年，发现最小、最重的纯电磁相互作用原子，并高精度测量陶轻子质量，为人类探索微观世界提供更深刻的认识和理解。

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