理论物理团队Igor Ivanov教授和张鹏鸣教授研究组在涡旋缪子性质方面取得新进展

       自上世纪九十年代以来，研究人员在涡旋光领域已经开展了很多深入研究。涡旋光束中的每个光子携带非零的轨道角动量，基于这样一个新的自由度涡旋光在物理研究和技术应用方面得到了很多的应用。近年来，涡旋电子束也被成功制备、并在理论和应用方面引起了人们浓厚的兴趣。目前研究人员正在积极制备其他粒子的涡旋态，预期会产生一些新奇的应用。但是如果一个不稳定粒子处于涡旋态会怎么样？轨道角动量是否会影响粒子的衰变性质？从衰变产物我们能得到涡旋态的什么信息？

       在最近的工作中，我院理论物理团队Igor Ivanov教授、张鹏鸣教授和博士生赵鹏程首次研究了涡旋缪子的衰变问题。缪子是一类不稳定并具有相对长寿命的基本粒子，在基础物理和应用研究中发挥着重要作用。缪子会衰变为一个电子和两个中微子，其中电子的角分布和能谱能够反映缪子极化等性质。

       处于涡旋态的缪子可以有多种极化方式，这对于通常的平面波缪子是不可能的实现的。图1 显示了几种极化涡旋缪子模式。一个自然的问题是：我们能通过衰变电子的信息得到涡旋缪子的极化态性质吗？

图1：纵向极化（左），径向（中），方位角极化（右）

       这项工作结合解析和数值方法详细讨论了这个问题，发现与通常电子角分布作为最灵敏量不同，这里电子在固定观测角的能谱，特别是在平面波缪子不存在的能量区间，是更灵敏的观测量。同时研究表明即使对于小涡旋角的近轴涡旋缪子，固定观测角的电子能谱也显示出与平面波缪子的显著不同（见图2）。

图2：不同极化态缪子的电子能谱

       这些结果对于未来涡旋缪子的实验制备及其在磁场中的运动是非常有意义的，特别是此工作为涡旋缪子极化态的制备和探测提供了理论基础。

       该成果以“Decay of the vortex muon”为题发表在期刊《Physical Review D》上。该工作中山大学为唯一单位，Igor Ivanov教授为通讯作者，博士生赵鹏程为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金和中山大学百人计划启动基金的支持。

论文链接

Pengcheng Zhao, Igor P. Ivanov, and Pengming Zhang, Phys. Rev. D 104, 036003 (2021).