CERN DIRAC实验首次观测到超长寿命π+π-原子

在物理学领域的一项重要突破是长寿命π+π-原子的首次观察。这项研究是由DIRAC实验团队在CERN PS加速器上进行的，并于《物理快报B》2015年第751期发表，具有开放获取性质。π+π-原子是一种特殊的系统，由两个不稳定的基本粒子，正π+介子和负π-介子组成，它们通常具有非常短的生命周期。然而，此次实验揭示了一个令人惊讶的现象：科学家们观察到了π+π-原子在基态下的寿命长达约10×11秒，这是一个前所未有的长时间尺度。 这一发现具有显著的意义，因为之前此类原子的寿命通常远低于几个皮秒。长寿命的π+π-原子的稳定性可能源于量子力学中的某些特殊状态，这为探索基本粒子间相互作用的新途径提供了宝贵的机会。通过这种原子，研究人员能够研究π+和π-介子之间的相互作用，以及它们在原子尺度上的行为，这对于理解粒子物理学标准模型的精细细节至关重要。 具体来说，观察到的436±61个特征性介子对产生的信号与背景噪音相比，信噪比优于7个标准差，这意味着观测结果具有很高的统计置信度。这些介子对的产生和衰变过程可以帮助科学家们精确测量p和s原子态之间的能量差异，这是粒子能级之间能量差的重要参数。此外，这个长期存在的原子系统还可以用来测量散射长度，即粒子相互作用时的有效距离，这对于核物理和高能物理的理论计算有着直接的应用。 DIRAC实验的成功不仅依赖于先进的实验设备，也体现了国际合作的力量，参与者来自西班牙萨拉戈萨大学、俄罗斯杜布纳联合核研究所（JINR）和意大利特里斯特核物理研究所（INFN）。他们的共同努力使得这项前沿科学研究得以推进，展示了基础物理学领域的持续创新和进步。 长寿命π+π-原子的首次观察是一个里程碑式的事件，它不仅扩展了我们对不稳定粒子行为的认识，也为未来的粒子物理实验和理论模型提供了新的研究平台。这一成果有望推动我们对强相互作用和基本粒子性质的理解达到新的高度。