Когда-то атом водорода считался самым простым атомом, состоящим из бесструктурного электрона и структурированного протона. Однако дальнейшие исследования показали существование еще более простых атомов, состоящих из бесструктурных электронов (e-), мюонов (μ-) или тауонов (τ-) и их античастиц. Эти атомы, связанные исключительно электромагнитными взаимодействиями, имеют более простую структуру, чем водород, и предоставляют новые перспективы для изучения квантовой механики, фундаментальной симметрии и гравитации.
На данный момент обнаружены два типа атомов с чисто электромагнитными взаимодействиями: связанное состояние электрон-позитрон, открытое в 1951 году (Phys Rev 1951; 82:455), и связанное состояние электрон-антимюон, открытое в 1960 году (Phys Rev Lett 1960; 5:63). За последние 64 года больше подобных атомов не было обнаружено, хотя существует предложение искать их в космических лучах или на коллайдерах высоких энергий.
Тауоний, состоящий из тауона и его античастицы, имеет боровский радиус всего 30,4 фемтометра (1 фемтометр = 10^-15 метров), что составляет примерно 1/1741 (0,057%) боровского радиуса атома водорода. Это позволяет использовать тауоний для проверки фундаментальных принципов квантовой механики и квантовой электродинамики на меньших масштабах, предоставляя мощный инструмент для исследования микроскопического мира.
Недавно в журнале Science Bulletin было опубликовано исследование под названием "Новый метод идентификации самого тяжелого атома КЭД", предлагающее новый подход к обнаружению тауония. Исследование показывает, что при сборе данных объёмом 1,5 ab-1 вблизи порога образования тауонных пар на электрон-позитронном коллайдере и отборе сигнальных событий, содержащих заряженные частицы, сопровождаемые необнаруженными нейтрино, значимость наблюдения тауония превысит 5σ, что свидетельствует о убедительных экспериментальных доказательствах его существования.
Исследование также показало, что с использованием тех же данных точность измерения массы тау-лептона может быть повышена до беспрецедентного уровня в 1 кэВ, что на два порядка выше текущих достижений. Это не только позволит точнее проверить электрослабую теорию в Стандартной модели, но и окажет значительное влияние на фундаментальные вопросы физики, такие как универсальность лептонного аромата.
Это достижение является одной из ключевых целей предложенных установок Super Tau-Charm (STCF) в Китае и Super Charm-Tau Factory (SCTF) в России: обнаружить самый маленький и самый тяжелый атом с чистыми электромагнитными взаимодействиями, запустив установку вблизи порога образования тауонных пар в течение одного года и измерив массу тау-лептона с высокой точностью. Эти открытия помогут глубже понять микроскопический мир.
