摘要：μ子原子是一类特殊的原子体系，其中一个带负电的μ子取代了原子中的一个电子，由于μ子的质量大约是电子的200倍，因此其轨道离原子核更近。这种靠近极大增强了μ子原子对核电荷分布和磁矩分布等核结构的敏感性，因此μ子原子被视为研究核结构的强有力工具，尤其适用于测量原子
μ子原子是一类特殊的原子体系，其中一个带负电的μ子取代了原子中的一个电子，由于μ子的质量大约是电子的200倍，因此其轨道离原子核更近。这种靠近极大增强了μ子原子对核电荷分布和磁矩分布等核结构的敏感性，因此μ子原子被视为研究核结构的强有力工具，尤其适用于测量原子核的电荷半径和磁矩等核参数。
μ子原子的超精细结构是指μ子磁矩与原子核磁偶极矩和电四极矩之间的相互作用所导致的能级分裂。这些分裂可以通过精密的光谱技术进行测量。然而，准确解析这些实验结果需要理论上对各种效应进行校正，包括量子电动力学效应、真空极化、动量反冲效应、Bohr–Weisskopf 效应（核磁分布引起的修正），以及一个关键但难以计算的因素：核极化效应。核极化效应是指μ子与核之间的虚拟激发相互作用，会导致μ子能级的微小偏移。尤其在重核中，核激发模式更加复杂，传统认为这一效应可能显著，从而限制μ子原子的实验精度。
发表在PRL的最新研究提出了一种新颖的混合方法，首次可靠地量化了重μ子原子中核极化对超精细结构的影响，并得出一个重要结论：该效应非常微弱，不足以限制下一代μ子原子实验的精度目标。
核极化效应源于μ子通过电磁相互作用诱导核的虚拟激发状态，这种激发会反过来影响μ子轨道能级，从而产生超精细结构的能级修正。在氢样离子（仅含一个电子的离子）中，人们已对核极化效应进行了多年的研究，理论模型相对成熟。但在μ子原子中，尤其是重核μ子原子，相关理论和计算工作长期滞后。
研究表明，这种核极化修正可以通过对电磁多极矩展开，以及对核响应函数的建模进行估计。Vandeleur 等人则将这种半解析模型应用于^203Tl、^205Tl 和 ^209Bi 这三种具有代表性的重核体系，通过详细分析其核激发谱与μ子波函数的耦合，估算了μ子诱导的核极化贡献。
作者提出了一种结合实验与理论的新方法，用于间接提取核极化对超精细结构的贡献。该方法的核心思想是：对比同一核素的氢样离子与其对应的μ子原子的超精细结构实验数据。由于两者使用的是相同的原子核，但束缚的粒子不同（一个为电子，一个为μ子），因此它们对核结构效应的敏感性不同，比较这两类实验结果即可提取出对μ子原子特有的核极化效应。
为了增强可信度，作者还基于前人发展出的理论框架，构建了一个半解析模型，直接计算μ子原子中的核极化修正。两种方法的计算结果高度一致。
研究发现，对于^203Tl、^205Tl 和 ^209Bi 这三种典型的重μ子原子，其核极化对超精细结构的贡献远小于此前理论预期：
核极化效应占总超精细分裂的比例不到10%；在某些情况下，贡献量甚至比主效应小两个数量级；实验数据与模型预测之间的一致性也增强了对结论的信心。换句话说，μ子原子中的主要修正来源仍是Bohr–Weisskopf效应，而核极化效应的影响是次要的，且在当前实验精度下可以忽略不计。
这一发现对于即将开展的高精度μ子原子实验具有重大意义：
它消除了核极化可能成为实验精度瓶颈的担忧，为未来更高精度的核磁矩和电荷分布测量提供了理论支持；接下来，实验团队可以更专注于减少其他类型的不确定性（如QED修正、Bohr–Weisskopf效应建模等）；该方法本身（通过对比氢样离子和μ子原子实验数据）可以推广至其他核素链，有望成为提取核极化贡献的通用方法；为基于μ子原子的精密测量实验铺平了道路，包括CERN、Paul Scherrer研究所等多个实验设施计划通过μ子束流开展更深层次的核结构研究。Vandeleur 等人的研究首次明确地指出：重μ子原子中的核极化效应是微弱的，在理论和实验精度允许的范围内可以忽略不计。这项成果打破了此前对该效应可能成为限制因素的担忧，极大提升了人们对未来μ子原子精密实验的信心。
它不仅为μ子原子的核结构研究提供了更稳固的理论基础，也为探索强场QED效应、检验基本物理常数提供了一个更清晰的实验前景。
来源：万象经验一点号
