非对称正负电子碰撞实验合作建议书

—— 检验电子点粒子假设的决定性低能实验
提案人： 张冬晓（理论构想与方案设计）
日期： 2026年4月30日
寻求合作类型： 拥有正电子束流装置及/或红外单光子探测能力的实验组
一、核心科学问题：一句话说清我们在探索什么
电子有无内部结构？
这是基础物理最根本的本体论问题之一。标准模型将电子视为无内部结构的点粒子，这一假设迄今从未被直接实验检验。
我们提出一个实验，用一束低能正电子去打一块富电子靶，在特定条件下寻找一个波长精确为 1.70 μm、能量 0.73 eV 的红外单光子。

看到了 → 电子有亚结构，标准模型点粒子假设被突破；
在足够灵敏度下没看到 → 电子在 0.73 eV 能标无内部激发态，点粒子假设获得迄今最直接的实验验证。
无论结果正负，都是基础物理的重大结论。
二、为什么现有实验从未触碰这个问题？
现有对电子结构的约束主要来自：
实验类型 典型能标 检验对象 盲区
电子 g-2 均匀外磁场，动量转移 ~ 0 电子整体磁矩 无法探测内部自由度的激发
高能对撞 GeV–TeV 寻找激发态电子 e* 假设激发态质量远大于电子本身
低能电子-电子散射 keV–MeV 检验QED散射截面 未从内部结构角度分析异常
一个关键能区被完全遗漏了：0.73 eV 能标。
我们的核心洞察是：如果电子由更基础的单元构成，其内部解耦能标可能极低（~0.73 eV），恰好落在所有现有实验的灵敏度范围之外。本实验正是填补这一空白。

三、实验设计概览：极简、低成本、可执行
3.1 核心构型：1e⁺ + 2e⁻ 非对称碰撞
正电子源：²²Na 慢正电子束，能量 keV 量级，流强 ≥ 10⁶ s⁻¹（常规设备即可满足）
靶体：富电子碱金属薄膜（如 Cs、K），厚度优化至正电子德布罗意波长量级
核心思想：正电子同时面对 2 个靶电子，但只能与其中 1 个完成对称湮灭。第 2 个电子（残余电子）因拓扑阻挫被推入激发态，退激时释放特征光子。
3.2 探测系统
探测器 用途 要求
高纯锗 HPGe 探测 511 keV 湮灭伽马光子 时间分辨率 < 1 ns
超导纳米线单光子探测器 SNSPD 探测 1.70 μm (0.73 eV) 红外光子 暗计数 < 1 Hz，量子效率 > 80%
符合电子学 伽马-红外时间符合 离线随机符合扣除
3.3 本底控制与判决性判据
实验设置了三重独立的、互为冗余的判决性判据，确保信号不会与任何已知本底混淆：
判据一（时间符合）： 0.73 eV 红外光子与 511 keV 伽马光子时间关联 Δt < 1 ns。
判据二（空白对照）： 以相同参数的电子束替代正电子束轰击同一靶体。电子束不产生正负电子湮灭，因而不产生拓扑阻挫。两组测量的差值即为物理净信号。
判据三（单色性——终极判据）： 所有已知本底（热辐射、韧致辐射、等离激元衰变等）均为连续谱或宽带谱。而本实验预言的信号是孤立、尖锐的单色谱线，中心在 0.73 eV。在扣除连续本底后，若仅在 0.73±ΔE 区间出现净计数峰，且两侧邻近区间净计数为零，则该信号无法用任何已知物理过程解释。
四、为什么值得做：投资回报比极高
4.1 实验成本可控
无需建造新对撞机：利用现有正电子束流装置即可。
靶体与探测器均为成熟技术：碱金属薄膜靶、HPGe 探测器、SNSPD 系统均可在已有实验室条件下实现。
实验周期短：一旦系统调试完成，取数周期可按周或月计算。
与此形成鲜明对比的是：高能物理检验新物理需要数十亿至上百亿美元级投资和数十年的建设周期。

4.2 科学回报巨大
实验结果 科学意义
阳性 范式革命：人类首次直接观测到电子内部结构，推翻点粒子本体论。开辟低能精密测量检验粒子亚结构的全新疆域。为暗物质探索提供全新理论框架（质量量子单元）。
阴性 里程碑式约束：在 0.73 eV 能标以直接实验方式排除电子内部激发态。这是对点粒子假设迄今最强、最直接的实验支持，以极高置信度闭合了一个长期未被检验的可能性。
4.3 发文章的前景
无论正负结果，本研究均可发表在顶级期刊（如 Physical Review Letters、Nature Physics 或 Science）。其“对基础假设进行直接检验”的科学气质，具有极高的引用与被关注潜力。
五、为什么与我们合作：理论与实验的精准对接
我们的角色：
提供完整的、自洽的、可证伪的理论框架；
提供精确的信号参数预言（能量、波长、符合时间、线宽）；
提供详尽的本底分析及判决性判据设计；
提供靶体选择、束流参数优化的理论指导。
实验组的角色：
负责束流、靶体、探测器系统的工程实现；****
执行取数、刻度、数据分析；
发表实验结果（理论方作为合作者或致谢，协商确定）。
这是一次理论家与实验家的典范式合作。我们提供清晰的“靶心坐标”，实验组负责扣动扳机。
六、下一步：我们可以如何启动？
如果您所在的实验组拥有以下任一条件，我们可以立即进入方案细化阶段：
能够产生 keV 能级、流强 ≥ 10⁶ s⁻¹ 的正电子束；
拥有覆盖 1.5–2.0 μm 波段的 SNSPD 或其他高灵敏红外单光子探测器；
拥有正电子-固体靶实验平台。
我们可提供：
详细的实验几何设计与靶体参数计算；****
符合电子学逻辑方案；
蒙特卡洛模拟的初步框架；
已有的理论论文手稿（含完整数学推导）。
七、结语
物理学史反复证明：最根本的突破，往往不来自更高能量，而来自对基本假设的直接质疑与检验。
1920年代，斯特恩-盖拉赫实验用一个简单的非均匀磁场，就揭示了空间量子化。本实验的雄心在于：用一个精妙的非对称正负电子碰撞构型，去叩问“电子究竟是不是点粒子”这一根本问题。