本文來(lái)自微信公眾號：原理（ID：principia1687），作者：二宗主

現代物理學(xué)充滿(mǎn)了曲折離奇的故事，物理學(xué)家常常必須從看似毫不相關(guān)或微不足道的信息中，小心翼翼地抽絲剝繭才能分離出重要線(xiàn)索。在這個(gè)過(guò)程中，物理學(xué)家就像偵探一樣，從大量數據中精確地捕捉到那些極易被忽視的證據，再推理得出重大發(fā)現。在費米實(shí)驗室（Fermilab）進(jìn)行的一項實(shí)驗——μ子g-2實(shí)驗，就正在上演著(zhù)這樣一幕。

一

這項新的研究與隱藏在標準模型中的基本粒子——μ子身上的磁性?shī)W秘有關(guān)。我們知道，所有旋轉著(zhù)的帶電物體都能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，比如電子和μ子。一個(gè)粒子的磁場(chǎng)強度被稱(chēng)為磁矩，或者說(shuō)g因子。在上世紀20年代，光譜學(xué)實(shí)驗就揭示了電子具有固有的自旋和磁矩。當時(shí)的測量結果表明，電子的磁矩g的值為2。

粒子物理學(xué)標準模型描述了基本粒子和它們之間的相互作用。更多關(guān)于標準模型的信息，可閱讀《這個(gè)理論是科學(xué)史上的奇跡》。

1928年，物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）結合量子力學(xué)和狹義相對論提出了一個(gè)著(zhù)名方程——狄拉克方程，準確描述了電子和所有其他具有相同自旋量子數的粒子的運動(dòng)和電磁相互作用。根據狄拉克方程的預測，g因子等于2——與當時(shí)的測量結果一致。

然而到了上世紀40年代，隨著(zhù)實(shí)驗變得更加精確，物理學(xué)家開(kāi)始意識到電子具有一部分狄拉克方程所未能涵蓋的額外磁性，這種額外的磁性被表述為“g-2”，被稱(chēng)為反常磁矩。當時(shí)的物理學(xué)家不知道這種反常磁矩是如何產(chǎn)生的。

很快，物理學(xué)家朱利安·施溫格（Julian Schwinger）在1947年就用電子可以發(fā)射再重新吸收一個(gè)虛光子的說(shuō)法解釋了這一異?，F象。虛光子的短暫出現能使電子的內部磁性略微提高0.1%——這個(gè)足以彌補理論預測值與實(shí)驗測量結果的差異。然而，問(wèn)題在于光子并不是導致這種輕微差異的唯一原因。

物理學(xué)家后來(lái)發(fā)現，擾亂了電子的磁性的，實(shí)則是由各種虛粒子構成的網(wǎng)絡(luò )，反常磁矩是那些虛粒子對電子產(chǎn)生的綜合影響，標準模型中的每個(gè)粒子和每種力都參與了其中，只是有的更容易發(fā)生，或者更強，因此對差異的“貢獻”更大。

用于描述這些虛粒子的理論模型已經(jīng)非常成功地描述了電子的磁性。對于電子的g-2，理論計算結果與實(shí)驗值非常接近。這樣的情況讓物理學(xué)家認為，他們已經(jīng)成功地找到了導致反常磁矩的原因。然而，μ子的g-2實(shí)驗卻告訴我們，事實(shí)似乎并非如此。

二

當宇宙射線(xiàn)撞擊地球大氣層時(shí)，μ子就會(huì )自然產(chǎn)生，地球上的一些大型粒子加速器也可以大量產(chǎn)生μ子。和電子一樣，μ子的行為也像是擁有一個(gè)微小的內部磁鐵，它的質(zhì)量是電子的207倍，對新型的虛粒子特別敏感。早期對μ子的反常磁矩進(jìn)行的測量結果與理論預測是一致的。這使得物理學(xué)家曾相信，影響了電子磁性的虛粒子也對μ子的磁性造成了相同的影響。

但到了2001年，布魯克海文國家實(shí)驗室的μ子g-2實(shí)驗出現了奇怪的現象。當時(shí)，實(shí)驗的目的在于進(jìn)一步提高測量結果的精確度，并觀(guān)察四種基本力之一的弱力對反常磁矩的影響。雖然實(shí)驗結果成功地將誤差縮小到百萬(wàn)分之0.5，但同時(shí)發(fā)現在新的測量值和理論值之間存在一個(gè)小于百萬(wàn)分之三的微小差異，而物理學(xué)家無(wú)法用標準模型中的任何東西來(lái)解釋這種差異。

如此微小的差異，是微不足道的巧合，還是一個(gè)能帶領(lǐng)我們通向新物理學(xué)的重要線(xiàn)索？費米實(shí)驗室的μ子g-2實(shí)驗實(shí)際上是布魯克海文國家實(shí)驗室的μ子g-2實(shí)驗的續作，目的是對這種差異進(jìn)行重新檢驗。

4月7日，費米實(shí)驗室的研究人員公布了μ子g-2實(shí)驗的結果，宣告他們以前所未有的精確度，得到了與布魯克海文國家實(shí)驗室的μ子g-2實(shí)驗完全一致的結果。這個(gè)迄今為止最精確的測量結果，證實(shí)了標準模型并不足以解釋所發(fā)生的一切，它無(wú)法完美地預測μ子的行為。

三

在新的μ子g-2實(shí)驗中，來(lái)自加速器的質(zhì)子會(huì )撞擊到一個(gè)目標，產(chǎn)生π介子，其中一些介子會(huì )衰變成μ子。

 圖片素材來(lái)源：g-2實(shí)驗

π介子繞著(zhù)一個(gè)周長(cháng)為505米的環(huán)運動(dòng)，直到幾乎所有的π介子都衰變成μ子。

圖片素材來(lái)源：Nature

接著(zhù)，自旋指向相同方向的μ子束被送入一個(gè)直徑約為15米的超導磁存儲環(huán)中，在那里，μ子以接近光速的速度在磁鐵中循環(huán)數千次。在循環(huán)時(shí)，μ子的自旋軸會(huì )以一種與它們的磁矩有關(guān)的方式發(fā)生傾斜，如果存在反常磁矩，那么μ子在自旋的過(guò)程中就會(huì )出現輕微的擺動(dòng)。

圖片素材來(lái)源：g-2實(shí)驗/quantamagazine

每循環(huán)一圈，μ子的自旋軸就會(huì )改變12°。在存儲環(huán)循環(huán)多次之后，μ子會(huì )自發(fā)衰變成一個(gè)電子和兩個(gè)中微子，而μ子衰變所產(chǎn)生的電子，會(huì )傾向于沿著(zhù)μ子自旋所指的方向發(fā)射。通過(guò)利用存儲環(huán)上的探測器記錄下這些電子的數量和能量，就能計算出μ子自旋的傾斜程度；而通過(guò)將μ子的自旋方向和環(huán)內磁場(chǎng)的精確測量相結合，就可以揭示由虛粒子的相互作用引起的μ子的反常磁矩。

新的μ子g-2實(shí)驗于4月7日所公布的最新測量結果與布魯克海文所測結果一致，兩次實(shí)驗對反常磁矩的平均測量值為0.00116592061(41)；與之相比，根據標準模型預測的反常磁矩為0.00116591810(43)。這些結果的顯著(zhù)性差異為4.2σ，它意味著(zhù)這樣的結果是有統計波動(dòng)導致的幾率約為四萬(wàn)分之一。雖然這略低于科學(xué)家在宣布一項新發(fā)現時(shí)所要求的5σ，但已經(jīng)是十分令人振奮和信服的新物理學(xué)證據。

 圖片素材來(lái)源：B.ABI ET AL/PRL 2021

新的μ子g-2實(shí)驗于2018年首次運行，在運行的第一年就收集到了比之前所有μ子的g因子實(shí)驗所收集的數據總和都多的數據。全世界各地的科學(xué)家共同完成了首次運行中所產(chǎn)生的80多億μ子運動(dòng)的分析。而這個(gè)數據量?jì)H是該實(shí)驗最終將收集到的不到6%的數據。

現在，研究人員正在分析實(shí)驗的第二和第三次運行的數據，第四次運行正在進(jìn)行中，第五次運行計劃中。相信當科學(xué)家收集到所有五次實(shí)驗數據后，將會(huì )揭示出更多令人驚訝的信息。這些對μ子磁性的測量是一項了不起的成就，它或將指導我們在未來(lái)幾年尋找超越標準模型的物理學(xué)。

4月7日，μ子g-2實(shí)驗的聯(lián)合發(fā)言人Graziano Venanzoni說(shuō)：“今天是非同尋常的一天，不僅是我們，整個(gè)國際物理界都在期待著(zhù)。大量的功勞都歸于我們年輕的研究人員，他們的才華、想法和熱情，讓我們取得了令人難以置信的結果?！?/p>

參考來(lái)源：

1. https://www.symmetrymagazine.org/article/the-mystery-of-the-muons-magnetism?language=en

2. https://www.symmetrymagazine.org/article/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics

3. https://phys.org/news/2021-04-strength-muon-magnetic-field-aligns.html

4. https://phys.org/news/2021-04-field-argonne-scientists-bolster-evidence.html

5. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801

6. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.103.042208

7. https://www.quantamagazine.org

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