包括Kavli宇宙物理和数学研究所(KavliIPMU)在内的研究人员的国际合作已经成功地进行了一项原理验证实验，通过对奇异原子进行高精度测量来验证强场量子电动力学。PhysicalReviewLetters上的一项新研究报道了使用最先进的X射线检测器从muonic原子发射的muonic特征X射线的能谱。

该小组的成果是朝着验证强电场下的基本物理定律迈出的重要一步，而人类尚未能够人工创造强电场。本研究展示的使用最先进量子技术的高效、准确的X射线能量测定方法有望应用于各种研究领域，例如使用μ子原子的非破坏性元素分析方法。

发现物理规律一直是科学家们的梦想。它们被发现或被提议用于解释现有理论无法理解的观察到的现象。在许多情况下，新物理学的发现需要开发新的实验技术和提高测量精度。最精确测试的物理定律理论是量子电动力学(QED)，它描述了带电粒子和光之间的微观相互作用。科学家们不断突破QED准确描述我们物理现实的极限。

在这篇论文中，合作将来自J-PARC设施的低速负μ子束注入氖气，并使用超导过渡精确测量从产生的μ氖(Ne)原子发射的特征X射线的能量。边缘传感器(TES)检测器。充分利用TES探测器出色的能量分辨率，以小于1/10,000的绝对不确定度确定了μ子特征X射线的能量，并成功验证了真空极化在强场量子电动力学中的贡献精度高达5.8%。

TES探测器最初是为空间X射线观测而开发的。高桥目前在KavliIPMU的项目是使用该探测器开展前所未有的跨学科研究。他的团队包括KavliIPMU项目助理教授Shin'ichiroTakeda、项目研究员MihoKatsuragawa和参与μ子实验的准研究生KairiMine。

此次合作演示了使用μ子原子的实验技术，有望在强电场下的QED验证研究中取得重大飞跃。

该研究的详细信息发表在《物理评论快报》杂志上。

QED的效果在强电场环境中更为明显，但理论计算在这种情况下变得更加困难。因此，强电场环境对于QED验证非常重要。多年来，作为实现强电场环境的一种方法，一直使用高电荷离子(HCI)进行实验，这些离子是剥离多个电子的原子。

随着原子序数变大，HCIs中束缚电子感受到的电场变强，许多电子的剥离抑制了屏蔽效应。使用大型加速器的HCI研究仍在大力开展。然而，即使对于具有大原子序数的HCI，核的有限尺寸的影响也不容忽视。有人指出，这种效应并不清楚，因此将实验结果与理论进行比较的QED验证的准确性会受到很大影响。

为了以不同于HCI的方式在强电场下验证QED，国际研究小组专注于“奇异原子”，其中带负电的粒子与原子核而不是电子结合。在各种奇异原子中，介子原子由负介子(比电子重约200倍的基本粒子)和原子核组成。

现在可以从大型加速器中提取负μ子束。介子原子的特征是负介子与原子核非常接近，束缚介子的轨道半径约为束缚电子的1/200。

结果，μ子感受到的电场比HCI中相同量子能级的束缚电子感受到的电场强约40,000倍，从而产生巨大的QED效应。此外，通过使用占据高角动量量子能级且与原子核重叠小的负μ子，可以进行在很大程度上抑制原子核有限尺寸影响的实验。通过精确测量muonic原子从特定能级去激发到较低能级时发射的muonic特征X射线的能量，可以在强电场下验证QED(图1)。

因此，μ子原子是用于强场QED验证的有前途的实验目标。然而，有几个问题需要克服。最大的是必须在隔离的环境中制备许多μ子原子。μ子原子附近原子或分子的存在可能导致快速电子转移并改变μ子特征X射线的能量。解决方案是使用具有小数密度(低压)的稀气体靶，但产生的μ子原子的数量和由此产生的μ子特征X射线的强度会降低。

国际研究小组在位于茨城县东海村的日本质子加速器研究中心(J-PARC)进行了实验，那里拥有世界上最强的低速μ子束。为了即使使用低强度μ子特征X射线也能足够准确地确定能量，实验使用超导过渡边缘传感器(TES)微量热仪进行，这是一种高效、高分辨率的X射线探测器。

他们以稀有气体氖(10Ne)原子为靶点，在0.1atm的稀释条件下，实现了比传统半导体探测器高一个数量级的能量分辨率(FWHM[11]：5.2eV)，并成功测量μ子特征X射线(图2)。显示的峰值主要是由于来自六个不同跃迁的μ子特征X射线的重叠，并且通过分析它们中的每一个的贡献来确定μ子特征X射线的能量以0.002%的高精度。

因此，可以得出结论，μ介子氖原子处于孤立的环境中。他们将最新的理论计算与实验结果进行了比较，并确认他们在实验误差范围内是一致的。研究人员以5.8%的极高准确度，成功验证了强电场下真空极化的效果。这与使用多电荷铀离子U91+的强场QED的精度相当，这是迄今为止最准确的观测结果。