作为基本粒子之一的缈子是宇宙射线的主要成分，伸出手大概每一秒钟就会有一个缈子穿过手掌，其质量约为质子的九分之一。寿命为2.2微秒，正缈子衰变释放出正电子。另外，正缈子与电子结合形成的缈子偶素作为奇异原子而为人所知。
东京大学研究生院理学系研究科的鸟居宽之副教授与高能加速器研究机构的西村升一郎博士研究员和下村浩一郎教授等人组成的研究团队，设计出了可以根据对单一频率的时间响应计算出共振频率的新原子光谱法——拉比振荡光谱法，并成功地精确确定了缈子偶素原子的超微细结构。鸟居副教授表示：“标准光谱是利用随着时间累积的数据，通过改变频率来调查原子的响应的。此次没有将共振信号转换为频率轴，而是在保持时间轴不变的情况下，与理论拉比振荡的模拟结果进行比较，通过逆向计算共振频率这一逆向思维而实现的”。相关成果已经发布在Physical Review A上。
左图：通过理论模拟获得的共振曲线。一般来说，信号强度以共振频率为中心呈现左右对称山形曲线。共振宽度（通常在图中标记为半波宽）越窄，计算共振频率的精度越高。接近理想的共振曲线能以共振宽度百分之一以下的精度计算共振频率，但数据的偏差较大或者左右不对称时，精度会立刻下降。拉比振荡光谱无需绘制共振曲线，只需将电磁波的频率固定在某个点上积累数据即可。例如，在靠近波峰的位置固定图中蓝色箭头所示的频率进行测量的话，与扫描多个频率获取数据的标准光谱相比，相同的数据量可以实现2倍的精度。
右图：对拉比振荡光谱进行理论计算的模拟结果。频率失谐（偏离共振频率的偏差）为零或者较小时，拉比振荡为缓慢的大幅振荡，失谐越大，振幅越小，振荡速度越快。
在原子的世界里，电子只能够存在于名为“能级”的不连续状态，随着能级之间的跃迁而发光或者被吸收的电磁波，其频率则由能级的能量差明确决定。通过高精度确定共振频率，就可以精密验证微观世界的物理法则。
标准光谱通过激光和微波等电磁波使原子和分子跃迁，将信号的最大的地方视为共振中心。实际操作如下：改变电磁波的频率，绘制出对应不同频率的信号强度图，从而获得的左右对称的共振曲线，并以此为基础来确定曲线达到峰值时的共振频率。
不过若要高精度的测量，必须严控实验条件，比如使电磁波的功率保持恒定不变等。另，为精确描绘出共振曲线，相当于波谷的信号强度较弱的频率下的数据也不可或缺，特别是原子级的精确测量的效率比较低。
研究团队着眼于跃迁的信号强度随时间振荡、原子与电磁波的相互作用而形成的拉比振荡。如果电磁波的频率与共振频率一致或者接近，信号就会大幅缓慢振荡，但如果两种频率之间的偏差（失谐）较大，信号则会小幅快速振荡。虽然这种现象还取决于电磁波的功率，功率强，信号会大幅快速振荡，功率弱，信号则小幅缓慢振荡，这种组合与失谐变化的情况不同。利用这个特点，可以根据信号强度与振荡速度的组合同时计算出失谐和功率。换言之，不依赖功率影响就能明确失谐，因而可以通过与已知的电磁波频率相减来确定共振频率。另外研究团队还发现，通过将频率固定在共振中心附近，与标准光谱法相比可将精度提高1倍。
此次在通过理论模拟确认了原理的有效性后，研究团队还在大强度质子加速器设施（J-PARC）物质与生命科学实验设施（MLF）中利用实际的原子进行了实验，将其确立为新的光谱法，并命名为拉比振荡光谱。
检测缈子衰变释放出的正电子的硅条探测器照片以及显微放大照片。即使对于高强度光束，信号也未产生失真，可以以高时间精度捕捉正电子信号，这种技术也是支撑拉比振荡光谱的重要要素。
拉比振荡是几十年前就载入教科书的现象，却几乎没有基于拉比振荡的速度反推共振频率的研究。通常的原子和分子光谱大多都是对信号进行积分或者利用振荡后的平衡状态，消除时间信息后进行测量就足够了。通常都是在相同条件下改变频率进行观测来获得高精度光谱。着重于以较低的功率进行长时间的测量来绘制窄频宽的精确共振曲线。
但是，在包括利用加速器设施生成的短寿命基本粒子和原子核在内的原子光谱中，要想在有限的观测时间内和原子数中获得最大限度的信号，需要尽可能地用大功率快速的进行观测。虽然功率的波动容易成为问题，但拉比振荡所需时间明显更少仅几百纳秒，更容易观测。可以说，拉比振荡光谱是可以实现快速、高精度和高效的光谱分析的划时代方法。
研究团队着眼于缈子偶素，致力于超微细结构的高精度微波光谱。缈子偶素原子是正缈子（μ子）与负电子相互束缚形成的简单原子，可以视为质子与电子相互束缚的氢原子的同位素。缈子的寿命只有2.2微秒，拉比振荡光谱可以有效地利用。
虽然微波通过谐振器被放大了约1万倍，但按照原子的位置功率相应分布，所以实际分析中在考虑了功率分布和原子分布的基础上，计算出了拉比振荡，同时为了能再现实测数据，还要计算失谐，需要较为复杂的流程。硬件方面，实验使用的硅条探测器的出色时间响应特性和时间确定精度也是实现拉比振荡光谱的重要要素。
由此，研究团队成功地刷新了零磁场条件下的缈子偶素光谱实验的精度记录。西村研究员表示：“此次实验利用的缈子数为1万亿，今后将通过增加缈子的数量，还可以进一步提高精度”。
本年度下半年MLF预定建成最高强度的缈子实验装置（Muon H line），今后通过在强磁场中观测缈子偶素原子的共振跃迁，有望在一个月的测量中实现比世界记录还要高出一位数的十亿分之二的精度。由此可以高精度确定缈子的质量，从而验证以量子电磁学为首的基本粒子物理学的标准模型。
下村教授表示：“费米国家加速器实验室的g-2实验认为μ子的测量结果与标准理论之间可能存在偏差。今后将利用Muon H-Line的拉比振荡光谱测量来验证g-2实验的结果，预计数年后可以得出结论”。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
