陶子是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中最重的輕子。直到上世紀(jì)70年代后期，陶子才在美國(guó)斯坦福加速器實(shí)驗(yàn)室首次被發(fā)現(xiàn)。由于陶子壽命極短，僅持續(xù)約三萬(wàn)億分之一秒，因此對(duì)其進(jìn)行精確測(cè)量相當(dāng)困難。而對(duì)于另外兩個(gè)帶電輕子電子和繆子，科學(xué)家已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)深入的研究。粒子的磁矩反映了粒子內(nèi)部(假想)磁體的強(qiáng)度和方向。真空中大量虛粒子會(huì)通過量子效應(yīng)干擾磁矩使其偏離簡(jiǎn)單點(diǎn)粒子模型的預(yù)測(cè)值，對(duì)磁矩的這一量子修正稱為反常磁矩，可以在相對(duì)論量子場(chǎng)論中精確計(jì)算。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量輕子的反常磁矩并與理論計(jì)算做對(duì)比,可以精確檢驗(yàn)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，并探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理。對(duì)電子與繆子反常磁矩的研究是當(dāng)前粒子物理領(lǐng)域研究熱點(diǎn),而對(duì)陶子反常磁矩最精確的測(cè)量仍來自于二十年前的結(jié)果，且遠(yuǎn)未達(dá)到檢驗(yàn)理論計(jì)算的精度。

質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞中雙光子產(chǎn)生陶子對(duì)過程的費(fèi)曼圖

在最新研究中，北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系、核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高能物理團(tuán)隊(duì)王大勇課題組，利用歐洲核子研究中心CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上CMS探測(cè)器所收集的13萬(wàn)億電子伏(TeV)的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞數(shù)據(jù)，首次在質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞中以5.3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的顯著度觀測(cè)到雙光子產(chǎn)生陶子對(duì)的獨(dú)特過程，即以近乎光速彼此掠過的兩個(gè)質(zhì)子產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)，進(jìn)而兩個(gè)光子對(duì)撞產(chǎn)生兩個(gè)陶子，然后分別衰變?yōu)榭娮印㈦娮踊?pi;介子和中微子。該研究提供了迄今對(duì)陶子的反常磁矩最嚴(yán)格的約束，將陶子反常磁矩測(cè)量結(jié)果的精度提升了五倍，使其測(cè)量誤差縮小到僅為理論計(jì)算值的3倍。該研究給出的對(duì)陶子電偶極矩的約束也與世界最好測(cè)量結(jié)果的精度相近。這些研究為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，并探索新物理現(xiàn)象提供了新途徑。

本研究給出的陶子反常磁矩(紅色)與之前實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，藍(lán)線是理論計(jì)算值

相關(guān)結(jié)果于2024年9月2日以“在質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞中觀測(cè)γγ→ττ并限制陶子的反常電磁矩”(Observation of γγ→ττ in proton–proton collisions and limits on the anomalous electromagnetic moments of the τ lepton)為題正式發(fā)表于《物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告》,并于此前被《CERN 通訊》(CERN Courier)、《科技日?qǐng)?bào)》等媒體報(bào)道。王大勇課題組在CMS實(shí)驗(yàn)中提出并作為主力全程參與這一研究工作，做出了突出貢獻(xiàn)。北京大學(xué)物理學(xué)院2019級(jí)博士研究生秦雪龍(現(xiàn)為中國(guó)工程物理研究院助理研究員)在CMS合作組內(nèi)作了預(yù)審核報(bào)告。此項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等大力支持。