來(lái)自26家研究機構的100余名物理學(xué)家們正在準備利用Muon粒子進(jìn)行一種新型的實(shí)驗，實(shí)驗結果所揭示的將是粒子物理學(xué)的未來(lái)。
位于伊利諾伊州的美國費米國家實(shí)驗室
如果我們觀(guān)察在粒子標準模型中列出的各種基本粒子，就會(huì )發(fā)現，起碼對于我們的日常生活來(lái)說(shuō)，其中的很多基本粒子是“沒(méi)有用處”的。在人類(lèi)生活中常見(jiàn)的物質(zhì)，絕大多數都是由原子組成，原子核中的質(zhì)子和中子，主要由“上夸克”和“下夸克”組成，而組成質(zhì)子和中子夸克之間的強相互作用則由膠子傳遞，以保證原子核可以聚合在一起，在原子核的外層環(huán)繞著(zhù)電子，再加上傳遞電磁相互作用的光子，人類(lèi)日常生活的一切基本上就是由這幾種基本粒子構成。
標準模型中所包含的傳遞弱相互作用的基本粒子在日常生活中并不經(jīng)常能夠感受到，而另外一種重要的相互作用——引力作用則沒(méi)有被包含在標準模型之內。但是當我們觀(guān)察標準模型中的61種基本粒子（其中也包含各種基本粒子的反粒子），其中最有意思的是在夸克和輕子區域，呈現了一種三個(gè)層次的“等級結構”。除了“上夸克”和“下夸克”，在下一個(gè)等級還包括“粲夸克”和“奇夸克”，之后還有“頂夸克”和“底夸克”。在這三個(gè)等級的夸克結構中，第一個(gè)等級的夸克最穩定，其后的夸克相對并不穩定，但是都具有和其他等級夸克所對應一致的電量，質(zhì)量逐漸增大。
在標準模型中電子和中微子等12種輕子也呈現出了類(lèi)似的三個(gè)等級的結構，其中最為常見(jiàn)的是電子和其所對應的電子中微子，在其后還有Muon粒子和其所對應的Muon中微子，Tau粒子和其所對應的Tau中微子。沒(méi)有內在結構的基本粒子呈現出的這種等級結構讓物理學(xué)家們感到迷惑，除了構成我們日常生活的基本粒子之外，在這種結構中其他等級的基本粒子相對來(lái)說(shuō)不夠穩定，很容易發(fā)生衰變（中微子則會(huì )發(fā)生振蕩）。
人們對于Muon粒子本質(zhì)的認識也經(jīng)歷了一個(gè)曲折的過(guò)程。1936年，美國科學(xué)家卡爾·安德森（Carl Anderson）和塞斯·內德梅耶（Seth Neddrmeyer）在研究宇宙射線(xiàn)的時(shí)候發(fā)現了Muon粒子，他們發(fā)現這種粒子在磁場(chǎng)中的偏轉方向和電子一樣，因此也是帶有負電，但是偏轉角度和電子差別很大，說(shuō)明其質(zhì)量遠高于電子。最初，科學(xué)家們命名它為Muon“介子”，意思說(shuō)它是質(zhì)量介于電子和質(zhì)子之間的一種粒子。隨后科學(xué)家們相繼發(fā)現了其他種類(lèi)的介子，也發(fā)現了Muon介子和其他介子的不同。Muon介子并不參與強相互作用，同時(shí)，它不是由兩個(gè)夸克組成，也沒(méi)有更復雜的內部結構，是一種基本粒子。因此Muon粒子被取消了“介子”的名稱(chēng)，成為Muon粒子，如今人們對于“介子”的定義也相應地改變了。
美國物理學(xué)家卡爾·安德森（左）和阿瑟·康普頓
如今人們認識到，Muon粒子屬于輕子的一種，它和電子具有相同的電量，它在標準模型中輕子的等級里比電子高出一級，因此質(zhì)量比電子高，大約是電子的207倍。這種粒子主要來(lái)自高能宇宙射線(xiàn)（主要是質(zhì)子）和地球大氣層相撞后的副產(chǎn)品。它的生命大約只有2.2微秒，之后這種基本粒子將會(huì )衰變?yōu)橐粋€(gè)電子和兩個(gè)不同種類(lèi)的中微子?，F在，這種基本粒子又一次成為粒子物理學(xué)家們研究的焦點(diǎn)，因為它有可能為我們指出粒子物理學(xué)發(fā)展的未來(lái)。
來(lái)自26家研究機構的100余名物理學(xué)家們正在準備利用Muon粒子進(jìn)行一種新型的實(shí)驗，這個(gè)計劃中的實(shí)驗名為Muong-2，它將更加仔細地研究Muon粒子的特性，但是實(shí)驗結果所揭示的將是粒子物理學(xué)的未來(lái)——物理學(xué)家們將如何超越標準模型，尋找到新的基本粒子。
為了進(jìn)行實(shí)驗，這些物理學(xué)家首先要做的是想方設法把一個(gè)17米多寬的粒子存儲環(huán)從美國能源部位于紐約的布魯克海文國家實(shí)驗室（Brookhaven National Laboratory）運送到位于伊利諾伊州的費米國家實(shí)驗室（Fermi National Laboratory），其間距離有5100多公里。需要運輸的粒子存儲環(huán)，是一個(gè)由鋼和鋁混合建造的圓形磁體，里面還布有超導線(xiàn)圈，這個(gè)裝置是Muong-2實(shí)驗的核心器件，是由布魯克海文國家實(shí)驗室在20世紀90年代建造的。
Muong-2實(shí)驗的發(fā)言人、來(lái)自波士頓大學(xué)的物理學(xué)家李·羅伯茨（LeeRoberts）說(shuō)，把這個(gè)電磁體從紐約用卡車(chē)運輸到伊利諾伊，比重新建造一個(gè)新設備“省了十倍的力氣”，但是這個(gè)裝置不能被拆解，只能通過(guò)卡車(chē)，用每小時(shí)十幾公里的速度在夜間運輸，預計從2013年6月初開(kāi)始，直到7月末才會(huì )到達位于芝加哥郊區的費米國家實(shí)驗室。
想了解這個(gè)實(shí)驗的目的，要從g-2的意義說(shuō)起。Muon粒子大體上相當于一個(gè)更重的電子，與電子相同，它也帶有負電荷，并且擁有1/2的自旋，也就是說(shuō)，一個(gè)Muon粒子相當于一個(gè)微小的旋轉著(zhù)的磁體。g在某種意義上，代表著(zhù)這種帶電，擁有1/2自旋的基本粒子的磁體與其旋轉的比率——旋磁比。根據相對論性量子力學(xué)的預測，g的數值應該為2，但是從20世紀40年代以來(lái)，物理學(xué)家們在精確測量Muon粒子旋磁比的時(shí)候發(fā)現，g的數值并不是精確的等于2，而是有大約1%的誤差。因此，g與理論值的差距：g-2被稱(chēng)為“反常磁矩”，根據現代物理學(xué)的解釋?zhuān)闯４啪氐某霈F與在真空中出現的“虛擬粒子”和Muon粒子的相互作用有關(guān)。
根據量子力學(xué)的描述，在真空中會(huì )出現各種虛擬粒子對，它們短暫的出現之后又相互湮滅，但是這些虛擬粒子與Muon粒子之間的相互作用卻可能被探測到。意識到了這一點(diǎn)，物理學(xué)家們就可以通過(guò)精確測量Muon粒子的反常磁矩來(lái)探測真空中出現的虛擬粒子。在這之前最精確的Muon反常磁矩測量就是在美國布魯克海文國家實(shí)驗室進(jìn)行的，那里的物理學(xué)家們測量了大約1億個(gè)Muon粒子，這個(gè)在2001年完成的實(shí)驗發(fā)現實(shí)驗結果與理論預測存在著(zhù)差異，但是由于實(shí)驗精度的問(wèn)題，這個(gè)結果還不能被稱(chēng)之為一個(gè)科學(xué)發(fā)現。因此，這一次費米國家實(shí)驗室將繼續測量Muon粒子的反常磁矩。這一次，費米國家實(shí)驗室可以制造出數量更多、純度更高的Muon粒子束，并且實(shí)驗精度相比于布魯克海文國家實(shí)驗室也將提高4倍，這將是人類(lèi)進(jìn)行的最精密的實(shí)驗之一。
在費米國家實(shí)驗室，大量的Muon粒子將在粒子加速器中通過(guò)碰撞產(chǎn)生。在粒子加速器中，大量的質(zhì)子經(jīng)過(guò)加速之后，每秒鐘進(jìn)行12次碰撞，這種碰撞將粉碎質(zhì)子，產(chǎn)生大量的Pion介子，Pion介子之后又將會(huì )迅速衰變成為Muon粒子。Muon粒子束將會(huì )被導入有著(zhù)外加強磁場(chǎng)的粒子存儲環(huán)中。在這里，Muon粒子將會(huì )被加速到將近光速，根據狹義相對論“鐘慢尺縮”的效應，相當于Muon粒子的生命被延長(cháng)，大約可以存在64毫秒，在這段時(shí)間內，物理學(xué)家們將會(huì )仔細測量它們的反常磁矩。
當Muon粒子處在一個(gè)外加磁場(chǎng)中時(shí)，就像一個(gè)羅盤(pán)一樣，它會(huì )試圖使自身的磁場(chǎng)與外部的磁場(chǎng)指向同一個(gè)方向。但是因為自身的旋轉阻止它改變磁場(chǎng)方向，就會(huì )出現進(jìn)動(dòng)效應，這種效應會(huì )因為虛擬粒子的存在而發(fā)生改變。根據粒子標準模型的預測，給出了Muon粒子異常磁矩的精確數值，但是在此前布魯克海文國家實(shí)驗室的實(shí)驗中，就已經(jīng)發(fā)現了實(shí)際數值可能與標準模型給出的數值不相符合，如果這個(gè)結果在精度更高的費米國家實(shí)驗室得到驗證，那么就說(shuō)明在自然界中可能還存在著(zhù)目前人們還不了解的基本粒子或是相互作用，而且這種基本粒子或者基本相互作用并沒(méi)有被包含在標準模型之中，這將開(kāi)啟粒子物理學(xué)研究的一扇大門(mén)。
費米國家實(shí)驗室的Muong-2實(shí)驗預計將在2016年開(kāi)始收集數據，物理學(xué)家們盼望著(zhù)能夠通過(guò)這個(gè)實(shí)驗打破此前辛苦建造完成的粒子標準模型，而正是通過(guò)這樣的不停努力，我們才能實(shí)現物理學(xué)的進(jìn)化。
（本文參考了費米國家實(shí)驗室網(wǎng)站的相關(guān)內容）
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