Das kleinste und schwerste Atom mit rein elektromagnetischer Wechselwirkung

Das Wasserstoffatom galt einst als das einfachste Atom der Natur und bestand aus einem strukturlosen Elektron und einem strukturierten Proton. Im Laufe der Forschung entdeckten Wissenschaftler jedoch einen einfacheren Atomtyp, der aus strukturlosen Elektronen, Myonen oder Tauonen und ihren ebenso strukturlosen Antiteilchen besteht. Diese Atome sind ausschließlich durch elektromagnetische Wechselwirkungen miteinander verbunden und haben einfachere Strukturen als Wasserstoffatome, was eine neue Perspektive auf wissenschaftliche Probleme wie Quantenmechanik, grundlegende Symmetrie und Schwerkraft bietet.

Bisher wurden nur zwei Arten von Atomen mit rein elektromagnetischen Wechselwirkungen entdeckt: der 1951 entdeckte Elektron-Positron-gebundene Zustand und der 1960 entdeckte Elektron-Antimyon-gebundene Zustand. In den letzten 64 Jahren gab es keine weiteren Anzeichen dafür Atome mit rein elektromagnetischen Wechselwirkungen, obwohl es einige Vorschläge gibt, nach ihnen in kosmischen Strahlen oder Hochenergiekollidern zu suchen.

Tauonium, bestehend aus einem Tauon und seinem Antiteilchen, hat einen Bohr-Radius von nur 30,4 Femtometern (1 Femtometer = 10-15 Meter), etwa 1/1.741 des Bohr-Radius eines Wasserstoffatoms. Dies impliziert, dass Tauonium die Grundprinzipien der Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik in kleineren Maßstäben testen kann und ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erforschung der Geheimnisse der Mikromaterialwelt darstellt.

Kürzlich wurde eine Studie mit dem Titel „Neuartige Methode zur Identifizierung des schwersten QED-Atoms“ veröffentlicht veröffentlicht In Wissenschaftsbulletinund schlägt einen neuen Ansatz zur Entdeckung des Tauoniums vor.

Die Studie zeigt, dass durch das Sammeln von Daten von 1,5 ab-1 nahe der Schwelle der Tauonpaarproduktion an einem Elektron- und Positronenbeschleuniger und die Auswahl von Signalereignissen, die geladene Teilchen enthalten, begleitet von den unentdeckten Neutrinos, die Energie wegtragen, die Bedeutung der Beobachtung von Tauonium 5σ übersteigt. Dies weist auf starke experimentelle Beweise für die Existenz von Tauonium hin.

Die Studie ergab außerdem, dass mit denselben Daten die Präzision der Messung der Tau-Lepton-Masse auf ein beispielloses Niveau von 1 keV verbessert werden kann, zwei Größenordnungen höher als die höchste Präzision, die durch aktuelle Experimente erreicht wird. Diese Errungenschaft wird nicht nur zur präzisen Prüfung der elektroschwachen Theorie im Standardmodell beitragen, sondern auch tiefgreifende Auswirkungen auf grundlegende physikalische Fragen wie die Universalität des Leptongeschmacks haben.

Diese Errungenschaft dient als eines der wichtigsten physikalischen Ziele der geplanten Super Tau-Charm Facility (STCF) in China oder der Super Charm-Tau Factory (SCTF) in Russland: durch Laufen das kleinste und schwerste Atom mit rein elektromagnetischen Wechselwirkungen zu entdecken die Maschine ein Jahr lang in der Nähe der Tauon-Paar-Schwelle zu betreiben und die Tau-Lepton-Masse mit hoher Präzision zu messen.