超越氢：发现具有重大意义的微小新原子Tauonium

量子物理学的最新发现揭示了比氢更简单的原子结构，涉及粒子（如电子和它们的反粒子）之间的纯电磁相互作用。这一进展让我们对量子力学和基础物理学的理解具有重要意义，特别是探测Tauonium的新方法，这可能会彻底改变粒子物理学的测量。

氢原子曾经被认为是自然界中最简单的原子，由一个无结构的电子和一个有结构的质子组成。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，它由无结构电子（e -）、μ子（μ -）或陶子（τ -）以及它们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。

发现电磁相互作用原子

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（Phys Rev 1951;82:455）和1960年发现的电子-反电子束缚态（Phys Rev Lett 1960;5:63）。在过去的64年里，尽管有人建议在宇宙射线或高能对撞机中寻找这种原子，但没有发现这种原子具有纯电磁相互作用的其他迹象。

Tauonium由陶子和它的反粒子组成，它的玻尔半径只有30.4飞米（1飞米= 10-15米），大约是氢原子玻尔半径的1/1741。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，为探索微观物质世界的奥秘提供了强大的工具。

最近，一项名为“识别最重QED原子的新方法”的研究发表在综合期刊《科学公报》上，提出了一种用于发现Tauonium的新方法。研究表明，在电子和正电子对撞机上收集到的τ子对产生阈值附近的1.5 ab-1的数据，并选择含有带电粒子的信号事件，这些信号事件伴随着未探测到的携带能量的中微子，观测到的τ子的意义将超过5σ。这为Tauonium的存在提供了强有力的实验证据。

对基础物理的启示

研究还发现，使用相同的数据，测量τ轻子质量的精度可以提高到前所未有的1keV水平，比目前实验实现的最高精度高出两个数量级。这一成果不仅有助于标准模型中电弱理论的精确检验，而且对轻子味普遍性等基础物理问题也有深远的意义。

未来研究方向

这一成就是中国超级Tau - charm设施（STCF）或俄罗斯超级Charm-Tau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来发现具有纯电磁相互作用的最小和最重的原子，并高精度测量陶子轻子质量。这些发现将为人类探索微观世界提供更深入的见解和理解。

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