作爲基本粒子之一的緲子是宇宙射線的主要成分，伸出手大概每一秒鐘就會有一個緲子穿過手掌，其質量約爲質子的九分之一。壽命爲2.2微秒，正緲子放射衰變釋放出正電子。另外，正緲子與電子結合形成的緲子偶素作爲奇異原子而爲人所知。
東京大學研究生院理學系研究科的鳥居寬之副教授與高能加速器研究機構的西村升一郎博士研究員和下村浩一郎教授等人組成的研究團隊，設計出了可以根據對單一頻率的時間回應計算出共振頻率的新原子光譜法——拉比振盪光譜法，併成功地精確確定了緲子偶素原子的超細結構。鳥居副教授表示：「標準光譜是利用隨着時間累積的資料，透過改變頻率來調查原子的響應的。此次沒有將共振訊號轉換爲頻率軸，而是在保持時間軸不變的情況下，與理論拉比振盪的類比結果進行比較，透過逆向計算共振頻率這一逆向思維而實施的」。相關成果已經發布在Physical Review A上。
左圖：透過理論類比獲得的共振曲線。一般來說，訊號強度以共振頻率爲中心呈現左右對稱山形曲線。共振寬度（通常在圖中標記爲半波寬）越窄，計算共振頻率的精度越高。接近理想的共振曲線能以共振寬度百分之一以下的精度計算共振頻率，但資料的偏差較大或者左右不對稱時，精度會立刻下降。拉比振盪光譜無需轉列共振曲線，只需將電磁波的頻率固定在某個點上積累資料即可。例如，在靠近波峰的位置固定圖中藍色箭頭所示的頻率進行測量的話，與掃描多個頻率獲取資料的標準光譜相比，相同的資料量可以實施2倍的精度。
右圖：對拉比振盪光譜進行理論計算的類比結果。頻率失諧（偏差共振頻率的偏差）爲零或者較小時，拉比振盪爲緩慢的大幅振盪，失諧越大，振幅越小，振盪速度越快。
在原子的世界裏，電子只能夠存在於名爲「能階」的不連續狀態，隨着能階之間的躍遷而發光或者被吸收的電磁波，其頻率則由能階的能量差明確決定。透過高精度確定共振頻率，就可以精密驗證微觀世界的物理可用能法則。
標準光譜透過雷射和微波等電磁波使原子和分子躍遷，將訊號的最大的地方視爲共振中心。實際操作如下：改變電磁波的頻率，轉列出對應不同頻率的訊號強度圖，從而獲得的左右對稱的共振曲線，並以此爲基礎來確定曲線達到峰值時的共振頻率。
不過若要高精度的測量，必須嚴控實驗情境，比如使電磁波的功率保持恆定不變等。另，爲精確描繪出共振曲線，相當於波谷的訊號強度較弱的頻率下的資料也不可或缺，特別是原子級的精確測量的效率比較低。
研究團隊着眼於躍遷的訊號強度隨時間振盪、原子與電磁波的相輔作用而形成的拉比振盪。如果電磁波的頻率與共振頻率一致或者接近，訊號就會大幅緩慢振盪，但如果兩種頻率之間的偏差（失諧）較大，訊號則會小幅快速振盪。雖然這種現象還取決於電磁波的功率，功率強，訊號會大幅快速振盪，功率弱，訊號則小幅緩慢振盪，這種組合與失諧變化的情況不同。利用這個特點，可以根據訊號強度與振盪速度的組合同時計算出失諧和功率。換言之，不依賴功率影響就能明確失諧，因而可以透過與已知的電磁波頻率相減來確定共振頻率。另外研究團隊還發現，透過將頻率固定在共振中心附近，與標準光譜法相比可將精度提高1倍。
此次在透過理論類比應答了原理的有效性後，研究團隊還在大強度質子加速器設施（J-PARC）物質與生命科學實驗設施（MLF）中利用實際的原子進行了實驗，將其確立爲新的光譜法，並命名爲拉比振盪光譜。
檢測緲子放射衰變釋放出的正電子的硅條偵檢器照片以及顯微等比增大照片。即使對於高強度光束，訊號也未產生失真，可以以高時間精度捕捉正電子訊號，這種技術也是支撐拉比振盪光譜的重要要素。
拉比振盪是幾十年前就載入教科書的現象，卻幾乎沒有基於拉比振盪的速度反推共振頻率的研究。通常的原子和分子光譜大多都是對訊號進行積分或者利用振盪後的平衡狀態，消除時間資訊後進行測量就足夠了。通常都是在相同條件下改變頻率進行觀測來獲得高精度光譜。着重於以較低的功率進行長時間的測量來轉列窄頻寬的精確共振曲線。
但是，在包括利用加速器設施生成的短壽命基本粒子和原子核在内的原子光譜中，要想在有限的觀測時間内和原子數中獲得最大限度的訊號，需要儘可能地用大功率快速的進行觀測。雖然功率的波動容易成爲問題，但拉比振盪所需時間明顯更少僅幾百奈秒，更容易觀測。可以說，拉比振盪光譜是可以實施快速、高精度和高效的光譜分析的劃時代方法。
研究團隊着眼於緲子偶素，致力於超細結構的高精度微波光譜。緲子偶素原子是正緲子（μ子）與負電子相互束縛形成的簡單原子，可以視爲質子與電子相互束縛的氫原子的同位素。緲子的壽命只有2.2微秒，拉比振盪光譜可以有效地利用。
雖然微波透過諧振器被等比增大了約1萬倍，但按照原子的位置功率相應分佈，所以實際分析中在考慮了功率分佈和原子分佈的基礎上，計算出了拉比振盪，同時爲了能再現實測資料，還要計算失諧，需要較爲複雜的流程。硬體方面，實驗使用的硅條偵檢器的出色時間回應特性和時間確定精度也是實施拉比振盪光譜的重要要素。
由此，研究團隊成功地刷新了零磁場條件下的緲子偶素光譜實驗的精度記錄。西村研究員表示：「此次實驗利用的緲子數爲1萬億，今後將透過增加緲子的數量，還可以進一步提高精度」。
本年度下半年MLF預定建成最高強度的緲子實驗裝置（Muon H line），今後透過在強磁場中觀測緲子偶素原子的共振躍遷，有望在一個月的測量中實施比世界記錄還要高出一位數的十億分之二的精度。由此可以高精度確定緲子的質量，從而驗證以量子電磁學爲首的基本粒子物理可用能學的標準模式。
下村教授表示：「費米國家加速器實驗室的g-2實驗認爲μ子的測量結果與標準理論之間可能存在偏差。今後將利用Muon H-Line的拉比振盪光譜測量來驗證g-2實驗的結果，預計數年後可以得出結論」。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
