王大勇课题组在陶子反常磁矩研究中取得重要进展

陶子是粒子物理标准模型中最重的轻子。直到上世纪70年代后期，陶子才在美国斯坦福加速器实验室首次被发现。由于陶子寿命极短，仅持续约三万亿分之一秒，因此对其进行精确测量相当困难。而对于另外两个带电轻子电子和缪子，科学家已经进行了相当深入的研究。粒子的磁矩反映了粒子内部(假想)磁体的强度和方向。真空中大量虚粒子会通过量子效应干扰磁矩使其偏离简单点粒子模型的预测值，对磁矩的这一量子修正称为反常磁矩，可以在相对论量子场论中精确计算。通过实验测量轻子的反常磁矩并与理论计算做对比,可以精确检验粒子物理标准模型，并探索超出标准模型新物理。对电子与缪子反常磁矩的研究是当前粒子物理领域研究热点,而对陶子反常磁矩最精确的测量仍来自于二十年前的结果，且远未达到检验理论计算的精度。

质子质子对撞中双光子产生陶子对过程的费曼图

在最新研究中，北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术国家重点实验室高能物理团队王大勇课题组，利用欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机上CMS探测器所收集的13万亿电子伏(TeV)的质子-质子对撞数据，首次在质子质子对撞中以5.3倍标准偏差的显著度观测到双光子产生陶子对的独特过程，即以近乎光速彼此掠过的两个质子产生强电磁场，进而两个光子对撞产生两个陶子，然后分别衰变为缪子、电子或π介子和中微子。该研究提供了迄今对陶子的反常磁矩最严格的约束，将陶子反常磁矩测量结果的精度提升了五倍，使其测量误差缩小到仅为理论计算值的3倍。该研究给出的对陶子电偶极矩的约束也与世界最好测量结果的精度相近。这些研究为检验标准模型的预测，并探索新物理现象提供了新途径。

本研究给出的陶子反常磁矩(红色)与之前实验结果的比较，蓝线是理论计算值

相关结果于2024年9月2日以“在质子质子对撞中观测γγ→ττ并限制陶子的反常电磁矩”(Observation of γγ→ττ in proton–proton collisions and limits on the anomalous electromagnetic moments of the τ lepton)为题正式发表于《物理学进展报告》,并于此前被《CERN 通讯》(CERN Courier)、《科技日报》等媒体报道。王大勇课题组在CMS实验中提出并作为主力全程参与这一研究工作，做出了突出贡献。北京大学物理学院2019级博士研究生秦雪龙(现为中国工程物理研究院助理研究员)在CMS合作组内作了预审核报告。此项研究工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划等大力支持。