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实验|缪子反常磁矩实验或颠覆标准模型理论

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实验|缪子反常磁矩实验或颠覆标准模型理论
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缪子反常磁矩储存环俯视图 图源：费米实验室
近日 ， 在美国费米国家实验室进行的缪子反常磁矩实验（Muon g-2）公布首个结果：基本粒子缪子的行为和标准模型理论预言不相符 ， 该结果与早期美国布鲁克海文实验室的实验结果一致 。 这预示着 ， 世界上可能存在新的未知粒子或者作用力 。
“这意味着原本经历了多次考验 ， 堪称完美的标准模型理论也许并不能完全描述粒子世界的规律 ， 也许会有更完美的理论等待人类去发现 。 ”缪子反常磁矩实验早期成员之一、上海交通大学物理与天文学院教授李亮告诉《中国科学报》 。
粒子物理学界的里程碑时刻
“今天是伟大的一天 ， 不仅我们在期待这一天 ， 整个国际物理学界都在期待这一天的到来 。 ”4月7日 ， 缪子反常磁矩实验共同发言人、意大利核物理研究所物理学家格拉齐亚诺·韦南佐尼在公布缪子反常磁矩实验结果时说 。
缪子在宇宙射线穿透地球大气层时会自然产生 ， 人们也可以通过粒子加速器（比如位于费米实验室的质子加速器）来大量制造缪子 。 与电子类似 ， 缪子也有内禀磁矩 ， 在外界磁场下 ， 缪子的磁矩指向会发生进动或者摇晃 ， 好比旋转的陀螺会发生摇晃一样 。 缪子内禀磁矩的大小决定了缪子进动频率的大小 ， 这两者之间的比值被物理学家称为“旋磁比”（也叫g-因子） ， 这个比值能够被理论精确计算 。 同时当缪子在磁场中旋转时 ， 它也和时空最深处起伏不定的量子泡沫发生相互作用 。 这些转瞬即逝的量子泡沫（也叫“虚粒子”）会影响g-因子 ， 从而使得缪子进动的频率加快或者变慢一点点 。
“粒子物理的标准模型可以对这一反常的磁矩影响做出非常精确的预言 。 如果量子泡沫中包含新的未知作用力或者粒子 ， 标准模型的预言就将失效 。 ”该实验参与者之一、上海交通大学长聘教轨副教授许金祥告诉《中国科学报》 。
“对缪子进行超精密测量是个了不起的成就 。 缪子反常磁矩实验将对未来若干年寻找超越标准模型的新物理提供指引 。 ”费米实验室副主任乔·莱肯说 ， “这是粒子物理学界的里程碑时刻 。 ”
将产生颠覆性影响
“我们测量的是缪子与周围世界的相互作用 。 当理论物理学家利用已知的标准模型对这一相互作用进行计算时 ， 他们得到的答案却和我们不一样” 。 美国肯塔基大学物理学家、缪子反常磁矩模拟数据组负责人蕾妮·法塔米说 ， “这强烈暗示着在现有理论之外有新东西的存在 ， 而缪子对此非常敏感 。 ”
20多年前 ， 布鲁克海文实验室的研究人员就发现缪子的行为与标准模型不符的一些迹象 。
此次费米实验室和布鲁克海文实验室的综合测量结果与理论值相差4.2倍标准方差 ， 比5倍标准方差略小 。 这已经是一个非常有力的证据 ， 出现统计误差的概率仅有四万分之一 。
“当前测得的这一数值 ， 已经足够说明我们现有的标准模型理论可能只是在特定情况下的一种近似理论 。 ”李亮说 ， “这意味着我们所在的空间可能有尚未发现的新粒子存在 ， 或者有新的作用力存在 。 而在这一新发现之前 ， 物理学的四种作用力以及物理世界究竟有些什么粒子已经基本达成了共识 。 一旦新发现的可能性被‘坐实’ ， 将对粒子物理乃至整个科学领域产生颠覆性的影响 。 ”
爱因斯坦发现相对论 ， 描述了极速运动和强引力场下的物体运动状态 ， 在人类视野拓展到太空后 ， 其价值才凸显出来 。 如果这一发现突破了现有物理理论框架 ， 也会对人类生活产生重大的影响 。
“但这个影响可能不是立刻就能体现出来 ， 需要一段时间的发展和酝酿 。 ”李亮说 。
寻找新物理的信心
费米实验室的缪子反常磁矩实验是一项跨国合作项目 ， 其国际合作组目前由7个国家、35个研究单位的近200个科研工作者组成 。
2012年 ， 上海交通大学成立缪子物理团队并参加了费米实验室的缪子反常磁矩实验 。 在此过程中 ， 上海交大团队前期在量能器的研发和束流测试方面做出了重要贡献 ， 后期在探测器模拟、束流动力学优化与设计、事件重建、能量和时间的刻度、离线数据分析等实验的多方面也有较突出贡献 ， 同时还参与了精确磁场的测量、校准方面的研究 ， 是当前合作组中参与各项测量任务最全面的实验团队之一 。
2013年 ， 布鲁克海文实验室的长约50英尺（16米）的超导储存环从纽约运到芝加哥郊区的费米实验室 。 在接下来的4年里 ， 研究人员搭建了各项实验设备；调整和校准了无比均匀的磁场；研发了新的探测技术、仪器和仿真程序；全面测试了整个系统 。
2018年 ， 缪子反常磁矩实验采集的数据量就超过了以前所有实验的总和 。 现在缪子反常磁矩国际合作组已经分析了超过80亿个缪子的数据 。
今年2月25日正式数据分析结果出来时 ， 遍布世界各地的100多个成员在线参加了结果的揭晓 。 许金祥说 ， 当数据分析结果公布那一刻 ， 可以听到来自世界各地的欢呼声 。
“一年后 ， 还会公布一批结果 。 ”许金祥说 ， “实验的第二期和第三期数据分析正在进行中 ， 同时实验还在进行第四期的取数 ， 接下来还有第五期的运行 。 通过分析全部五期的数据 ， 科学家们能够得到更加精确的测量结果 ， 从而对发现新物理更加充满信心 。 ”
【实验|缪子反常磁矩实验或颠覆标准模型理论】[责任编辑: 赵清建 ]

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