9σ氦原子异常挑战标准模型

亚稳态氦电离能中存在的 9σ 差异代表了实验测量值与标准模型理论预测之间显著的 9 倍标准差失配。 这一巨大的统计缺口表明，我们目前对基础物理学的理解是不完整的，可能掩盖了某种新玻色子的存在。研究人员 Dmitry Budker、Lei Cong 和 Filip Ficek 利用这一异常现象缩小了寻找奇异电子-电子相互作用的范围，为发现自然界的第五种力提供了路线图。

亚稳态氦电离能中的 9σ 差异意味着什么？

9σ 差异是指亚稳态氦原子（特别是 ³He 和 ⁴He 的 2³S₁ 态）的测量电离能与理论预测值之间存在极显著的差异。 这一统计偏差几乎是粒子物理学中通常要求的正式“发现”阈值 5σ 的两倍。从实际角度来看，这意味着这一缺口纯属偶然的可能性几乎为零，这标志着要么是实验数据存在缺陷，要么是标准模型（Standard Model）的计算不完整，抑或是新物理学在起作用。

亚稳态氦由于其寿命相对较长，允许进行高精度光谱测量，因此在这些测量中特别有用。Budker、Cong 和 Ficek 开展的研究重点在于这些能级如何偏离量子电动力学（QED）的预测。如果理论计算是可靠的，那么 9σ 的缺口就成了超越标准模型物理学的“确凿证据”，可能揭示了在原子尺度上调节电子间作用力的新粒子。

精密原子光谱学在历史上一直是验证现有理论的工具，但它正日益成为发现新相互作用的探测手段。由于氦异常在两种同位素（³He 和 ⁴He）中都存在，研究人员可以利用位移的符号一致性来确定这种假设力的性质。这一 9σ 缺口的量级巨大，无法通过当前物理常数的微小误差来轻易解释，因此有必要对奇异粒子模型进行严格审查。

精密原子光谱学如何探测超越标准模型的新物理学？

精密原子光谱学以极高的精度测量能级，揭示出偏离标准模型预测的微小偏差，从而预示新力或新粒子的存在。 通过对比原子吸收或发射的光频率与数学模型，科学家可以探测到物理学“隐藏”领域的影响。这种方法的灵敏度足以识别假设玻色子的影响，而这些玻色子由于太轻或相互作用太弱，无法在大型强子对撞机（LHC）等高能对撞机中被观察到。

该领域的高影响力研究依赖于这样一个事实：每一种基本力都会在原子的能级上留下独特的“指纹”。当像 9-sigma 氦异常这样的差异出现时，它就成为了测试奇异电子-电子相互作用的实验室。这些相互作用由可能具有特定性质（如标量、矢量或轴矢量性质）的新玻色子介导。通过测量不同同位素之间的这些位移，光谱学在探测宇宙基本结构的能力上提供了一个质的飞跃。

• 同位素比较： 使用不同的同位素使研究人员能够分离出依赖于原子核质量的效应与纯电子效应。
• 理论精度： QED 计算的进步降低了理论不确定性，使得即使是很小的实验差异也具有高度显著性。
• 能级位移灵敏度： 现代光谱学可以检测到万亿分之一量级的位移，使其成为衡量新物理学最灵敏的“天平”。

新玻色子如何解释 9σ 氦异常？

一种新玻色子可以介导奇异的电子-电子相互作用，从而导致亚稳态氦中的能级位移，解释所观察到的 9σ 差异。 在这一框架下，这种假设的粒子充当了“第五种力”的媒介，这种力仅在电子间极短的范围内显现。通过将这种相互作用添加到标准模型方程中，电离能的理论预测值可以发生偏移，从而与实验室中观察到的实验结果完美匹配。

Dmitry Budker 及其同事探索了多种“耦合结构”，以观察哪些类型的玻色子可以产生必要的位移。两个电子之间的相互作用可以由不同类型的粒子介导，每种粒子在能量位移中产生特定的数学符号（正或负）。为了让玻色子能够解释该异常，它产生的位移必须与 ³He 和 ⁴He 中观察到的实验方向一致。这一要求为理论模型提供了严格的筛选，实际上起到了新物理学“试金石”的作用。

第五种力假设认为，这种新玻色子之所以一直被隐藏，是因为其相互作用强度极弱，或者其作用范围极其有限。然而，在原子内部的密集环境中，这些力变得可以测量。该研究专门研究了单玻色子交换模型，即单个新粒子负责该相互作用。这种方法简化了搜寻工作，并允许纯粹基于氦光谱中观察到的能量位移物理要求得出独立于模型的结论。

哪些剩余的相互作用可以解释 9σ 氦异常并挑战标准模型？

目前唯一能够解释 9σ 氦异常的可行相互作用是标量-标量和轴向-轴向耦合，它们产生的能量位移与实验数据一致。 通过模型无关的符号一致性分析，研究团队排除了一些其他热门候选者。具体而言，矢量-矢量和赝标量-赝标量相互作用被排除，因为它们产生的能量位移符号错误，无法与氦异常的物理事实相匹配。

模型无关分析是一种强大的技术，因为它不依赖于已知新粒子的确切质量或耦合常数。相反，它着眼于相互作用的基本对称性。Cong、Ficek 和 Budker 的发现通过应用以下排除标准，显著缩小了研究范围：

• 矢量-矢量（Vector-Vector）： 被排除，因为诱导的能量位移在数学上与观察到的 9σ 缺口不一致。
• 赝标量-赝标量（Pseudoscalar-Pseudoscalar）： 根据相互作用的符号被排除，这与实验方向相矛盾。
• 轴矢量（Axial-Vector）： 此前曾是一个候选者，但由于本研究结合了符号一致性和来自其他物理测量改进的约束条件，该项已被排除。
• 标量介导（Scalar-Mediated）： 仍然是唯一符合所有现有数据和异常符号要求的单玻色子情境。

标量玻色子（如果存在的话）将代表标准模型的一次重大扩张。这种粒子将存在于一个非常狭窄的参数范围内，以保持与其它已知物理学（如电子磁矩）的一致性。仅剩一种相互作用类型可行这一事实，简化了未来实验人员的工作，他们现在确切地知道在更复杂的原子系统中应该寻找什么样的信号。

未来的验证：探测 G 因子

未来在测量电子旋磁比（即 g 因子）方面的改进，可能提供确认或反驳剩余标量假设所需的决定性证据。 g 因子是对电子磁特性的测量，它对导致氦电离异常的同种新物理学非常敏感。如果某种新标量玻色子确实是 9σ 缺口的原因，那么它也应该在电子 g 因子测量中留下可探测的印记。

实验光谱学和理论物理学现在必须协同工作以弥合这一缺口。虽然 9-sigma 的结果在统计上是稳健的，但确认一种新力的存在需要多方面的证据。电子 g 因子精度的适度提高——哪怕只有 10 倍——就足以探测标量玻色子可能隐藏的剩余参数空间。这种协作努力代表了我们绘制宇宙基本力地图的下一个前沿。

这项研究的意义远超氦研究本身。如果标量介导的第五种力得到证实，这将是自希格斯玻色子（Higgs boson）发现以来，我们对自然基本“地图”的首次重大补充。它可能为暗物质的本质或宇宙中物质-反物质不对称的原因提供线索。目前，9-sigma 异常作为一个明确信号，表明标准模型是一个不完整的故事，其最终篇章尚待原子物理学的精密测量来书写。