基于一個基本粒子的μ子g-2實驗

現(xiàn)代物理學(xué)充滿了曲折離奇的故事，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索。在這個過程中，物理學(xué)家就像偵探一樣，從大量數(shù)據(jù)中精確地捕捉到那些極易被忽視的證據(jù)，再推理得出重大發(fā)現(xiàn)。在費(fèi)米實驗室（Fermilab）進(jìn)行的一項實驗——μ子g-2實驗，就正在上演著這樣一幕。

一

這項新的研究與隱藏在標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子——μ子身上的磁性奧秘有關(guān)。我們知道，所有旋轉(zhuǎn)著的帶電物體都能夠產(chǎn)生磁場，比如電子和μ子。一個粒子的磁場強(qiáng)度被稱為磁矩，或者說g因子。在上世紀(jì)20年代，光譜學(xué)實驗就揭示了電子具有固有的自旋和磁矩。當(dāng)時的測量結(jié)果表明，電子的磁矩g的值為2。

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)模型的信息，可閱讀《這個理論是科學(xué)史上的奇跡》。

1928年，物理學(xué)家保羅·狄拉克（Paul Dirac）結(jié)合量子力學(xué)和狹義相對論提出了一個著名方程——狄拉克方程，準(zhǔn)確描述了電子和所有其他具有相同自旋量子數(shù)的粒子的運(yùn)動和電磁相互作用。根據(jù)狄拉克方程的預(yù)測，g因子等于2——與當(dāng)時的測量結(jié)果一致。

然而到了上世紀(jì)40年代，隨著實驗變得更加精確，物理學(xué)家開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”，被稱為反常磁矩。當(dāng)時的物理學(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)射再重新吸收一個虛光子的說法解釋了這一異?，F(xiàn)象。虛光子的短暫出現(xiàn)能使電子的內(nèi)部磁性略微提高0.1%——這個足以彌補(bǔ)理論預(yù)測值與實驗測量結(jié)果的差異。然而，問題在于光子并不是導(dǎo)致這種輕微差異的唯一原因。物理學(xué)家后來發(fā)現(xiàn)，擾亂了電子的磁性的，實則是由各種虛粒子構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)模型中的每個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(qiáng)，因此對差異的“貢獻(xiàn)”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(jié)果與實驗值非常接近。這樣的情況讓物理學(xué)家認(rèn)為，他們已經(jīng)成功地找到了導(dǎo)致反常磁矩的原因。然而，μ子的g-2實驗卻告訴我們，事實似乎并非如此。

二

當(dāng)宇宙射線撞擊地球大氣層時，μ子就會自然產(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微小的內(nèi)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(jié)果與理論預(yù)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，布魯克海文國家實驗室的μ子g-2實驗出現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象。當(dāng)時，實驗的目的在于進(jìn)一步提高測量結(jié)果的精確度，并觀察四種基本力之一的弱力對反常磁矩的影響。雖然實驗結(jié)果成功地將誤差縮小到百萬分之0.5，但同時發(fā)現(xiàn)在新的測量值和理論值之間存在一個小于百萬分之三的微小差異，而物理學(xué)家無法用標(biāo)準(zhǔn)模型中的任何東西來解釋這種差異。

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

近日，費(fèi)米實驗室的研究人員公布了μ子g-2實驗的結(jié)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驗室的μ子g-2實驗完全一致的結(jié)果。這個迄今為止最精確的測量結(jié)果，證實了標(biāo)準(zhǔn)模型并不足以解釋所發(fā)生的一切，它無法完美地預(yù)測μ子的行為。

三

在新的μ子g-2實驗中，來自加速器的質(zhì)子會撞擊到一個目標(biāo)，產(chǎn)生π介子，其中一些介子會衰變成μ子。

π介子繞著一個周長為505米的環(huán)運(yùn)動，直到幾乎所有的π介子都衰變成μ子。

接著，自旋指向相同方向的μ子束被送入一個直徑約為15米的超導(dǎo)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(shù)千次。在循環(huán)時，μ子的自旋軸會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子在自旋的過程中就會出現(xiàn)輕微的擺動。

每循環(huán)一圈，μ子的自旋軸就會改變12°。在存儲環(huán)循環(huán)多次之后，μ子會自發(fā)衰變成一個電子和兩個中微子，而μ子衰變所產(chǎn)生的電子，會傾向于沿著μ子自旋所指的方向發(fā)射。通過利用存儲環(huán)上的探測器記錄下這些電子的數(shù)量和能量，就能計算出μ子自旋的傾斜程度；而通過將μ子的自旋方向和環(huán)內(nèi)磁場的精確測量相結(jié)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實驗于4月7日所公布的最新測量結(jié)果與布魯克海文所測結(jié)果一致，兩次實驗對反常磁矩的平均測量值為0.00116592061（41）；與之相比，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的反常磁矩為0.00116591810（43）。這些結(jié)果的顯著性差異為4.2σ，它意味著這樣的結(jié)果是有統(tǒng)計波動導(dǎo)致的幾率約為四萬分之一。雖然這略低于科學(xué)家在宣布一項新發(fā)現(xiàn)時所要求的5σ，但已經(jīng)是十分令人振奮和信服的新物理學(xué)證據(jù)。

新的μ子g-2實驗于2018年首次運(yùn)行，在運(yùn)行的第一年就收集到了比之前所有μ子的g因子實驗所收集的數(shù)據(jù)總和都多的數(shù)據(jù)。全世界各地的科學(xué)家共同完成了首次運(yùn)行中所產(chǎn)生的80多億μ子運(yùn)動的分析。而這個數(shù)據(jù)量僅是該實驗最終將收集到的不到6%的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)在，研究人員正在分析實驗的第二和第三次運(yùn)行的數(shù)據(jù)，第四次運(yùn)行正在進(jìn)行中，第五次運(yùn)行計劃中。相信當(dāng)科學(xué)家收集到所有五次實驗數(shù)據(jù)后，將會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?qū)⒅笇?dǎo)我們在未來幾年尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)。

近日，μ子g-2實驗的聯(lián)合發(fā)言人Graziano Venanzoni說：“今天是非同尋常的一天，不僅是我們，整個國際物理界都在期待著。大量的功勞都?xì)w于我們年輕的研究人員，他們的才華、想法和熱情，讓我們?nèi)〉昧肆钊穗y以置信的結(jié)果?！?br /> 編輯：lyn