宇宙射線中的μ子
編者按
世界是由什么組成的？物理學(xué)家們認(rèn)為，在質(zhì)子、中子、電子和夸克等基本粒子之外，也許還有其他未發(fā)現(xiàn)的粒子。這些難以觀測(cè)到的粒子，可能在空間里極短暫地產(chǎn)生和湮滅，改變空間的能量，帶來 “量子漲落效應(yīng)”。
雖然目前人類的物理水平不能直接測(cè)量這些變化，但或許可以通過已知粒子的 “異動(dòng)” 探測(cè)。
其中一個(gè) “異動(dòng)” 指標(biāo)，是電子的“反常磁矩”。它是電子一個(gè)系數(shù)的實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)模型理論值的偏差。
在類似電子的繆子（muon，也寫作μ子）上，這個(gè)偏差更容易測(cè)量。如果能證實(shí)繆子的反常磁矩Muon (g-2)/2的測(cè)量值和根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算出來的值有確定的偏差，而非測(cè)量上的誤差，就能確認(rèn)未知粒子的存在。那么經(jīng)典物理模型將被打破。
2001年，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）曾經(jīng)測(cè)得繆子的反常磁矩值為11 659 202(14)(6) X 10^{-10}，這一數(shù)值與理論物理學(xué)家的計(jì)算非常接近 [1]。2006年，同一實(shí)驗(yàn)室測(cè)得數(shù)值為11 659 208.0(5.4)(3.3) x 10^-10，與經(jīng)典物理理論數(shù)值的偏差相差2.2 - 2.7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差 [2]。兩者相差越大，則說明這個(gè)值偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的結(jié)果越遠(yuǎn)。
但是，一個(gè)完全顛覆現(xiàn)有物理理論的結(jié)果，需要相差5個(gè)以上的標(biāo)準(zhǔn)差。
在美國費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermi National Accelerator Laboratory, FNAL），一個(gè)200多人的研究團(tuán)隊(duì)致力于實(shí)驗(yàn)測(cè)量繆子的反常磁矩。2021年4月7日，F(xiàn)NAL宣布，他們測(cè)量的結(jié)果與布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果一致，如果把兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合在一起，那么繆子的反常磁矩的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)模型相差4.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差 [3]。這一結(jié)果雖然沒有完全顛覆現(xiàn)有理論，但已非常接近。
洪然目前在美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室任加速器控制工程師，他于2016年加入FNAL的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行、故障排除和數(shù)據(jù)分析。
本文中，他解釋了這一發(fā)現(xiàn)的原理和意義，回應(yīng)了相關(guān)質(zhì)疑，并分享了他參與前沿物理探索時(shí)的思考。
撰文 | 洪 然（美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室）
責(zé)編 | 王一葦
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這些天，Muon g-2實(shí)驗(yàn)刷屏了。4月7日結(jié)果公開后，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在多個(gè)國家各種媒體上如雨后春筍般涌現(xiàn)。大老板 Chris Polly（編者注：費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家，繆子g-2項(xiàng)目發(fā)言人之一）總結(jié)，目前英文媒體的報(bào)道標(biāo)題就有三頁紙。
μ子這個(gè)原來只在核物理、粒子物理圈被人熟悉的粒子，突然在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)徹底火了一把。但是，看著滿屏幕的搶眼標(biāo)題，諸如“物理學(xué)恐被顛覆……” “物理學(xué)家最后的嘗試……” “物理學(xué)大地震……” “第五種力的重大證據(jù)……”，我開始擔(dān)心起來。雖然這些吸引眼球的標(biāo)題們?yōu)楦鱾€(gè)平臺(tái)賺了很多流量，也讓我們研究組名聲大振，但是科學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)求是的形象可能毀于類似的夸張報(bào)道。
近日，我已經(jīng)聽到不少批評(píng)的聲音。這些聲音主要針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)上或者理論計(jì)算上可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以及花費(fèi)如此大的人力物力去研究μ子反常磁矩的意義。之前我已經(jīng)在《妙子漫談》[4] 一文中談了很多自己的經(jīng)歷和感受。在這篇文章里，我想更多介紹一下這項(xiàng)研究的意義，和近年來合作組所有成員為了得到這個(gè)結(jié)果所做的巨大努力。
作為第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的 “二代” 粒子，μ子的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)史上的重要里程碑。在此之前，人們根本沒料到，這樣不穩(wěn)定的基本粒子會(huì)存在。
它的發(fā)現(xiàn)也充滿了戲劇性。英國物理學(xué)家約瑟夫·湯姆遜（Joseph Thomson）在19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)了電子后，人類開始了對(duì)亞原子世界的探索。隨后科學(xué)家們又相繼發(fā)現(xiàn)了組成原子核的質(zhì)子和中子。那時(shí)，質(zhì)子、中子、電子就是組成世間萬物的基本粒子。當(dāng)時(shí)要解決的一大問題就是質(zhì)子和中子之間的強(qiáng)相互作用應(yīng)該怎么用數(shù)學(xué)描述。
隨著量子力學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家對(duì)電磁相互作用有了更深刻的理解。粒子間的電磁相互作用可以描述為“兩個(gè)帶電粒子交換光子”這個(gè)圖景。那么質(zhì)子和中子間的強(qiáng)相互作用是否也是它們?cè)诮粨Q什么粒子呢？
日本物理學(xué)家湯川秀樹在1935年提出一種模型，簡(jiǎn)單說就是質(zhì)子中子之間會(huì)交換一種強(qiáng)相互作用的媒介粒子。他稱之為“介子”并估計(jì)了它的質(zhì)量。
1936年，美國物理學(xué)家卡爾·安德森（Carl Anderson）在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，質(zhì)量和湯川秀樹預(yù)言的差不多。當(dāng)時(shí)人們以為這個(gè)新的粒子就是強(qiáng)相互作用的媒介子，所以稱之為μ介子。但是進(jìn)一步研究表明，它不參與原子核內(nèi)的強(qiáng)相互作用，而是更像電子。從那以后人們就稱它為μ子，并把它歸到 “輕子” 這一類。
后來，1947年π介子被發(fā)現(xiàn)，這才是原子核里質(zhì)子和中子相互作用的傳遞者。隨著更深入的研究，人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子也不是基本粒子，在它們內(nèi)部有著由夸克和膠子組成的一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。目前夸克被認(rèn)為是基本粒子，而質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)究竟是怎樣至今依然是一個(gè)前沿課題。
電子和μ子都屬于輕子。μ子的質(zhì)量是電子的207倍，但它們與其他粒子相互作用的方式都完全相同。后來人們又發(fā)現(xiàn)了比已知夸克質(zhì)量大，其他行為相同的重夸克。這些新粒子被稱為“第二代”基本粒子。這些粒子的壽命都很短。μ子的壽命只有2微秒左右，對(duì)我們?nèi)祟悂碚f可謂是轉(zhuǎn)瞬即逝。那么它們的存在有著什么意義？這些茫茫宇宙中的 “蜉蝣”，是否在宇宙萬物運(yùn)行規(guī)律中扮演者重要的幕后角色？如果沒有它們，宇宙是否還能演化成今天這個(gè)樣子？
愛因斯坦曾經(jīng)說過：“宇宙最不可思議的事，就是這宇宙竟然如此可思可議”。這里的 “可思議”，就是說 “物理規(guī)律可以用數(shù)學(xué)精確描述?！?為了用數(shù)學(xué)去描述這些基本粒子的相互作用，然后去窺探它們?cè)谟钪嫜莼邪缪莸慕巧茖W(xué)家們花了半個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間，一步步解開了基本粒子世界的秘密。而μ子在這個(gè)探索歷程中扮演了重要的角色。
μ子可以說是 “二代” 粒子中與我們?nèi)粘Ｉ盥?lián)系最緊密的一個(gè)了，因?yàn)樗谔烊坏挠钪嫔渚€中就存在。雖然宇宙射線中的μ子是在高層大氣中產(chǎn)生的，但是它們的穿透力極強(qiáng)，在一些在地下幾公里的探測(cè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室里偶爾都能找到他們的身影。
雖然μ子的壽命只有2.2微秒，但宇宙射線里的μ子接近光速，由于相對(duì)論里的時(shí)間膨脹效應(yīng)，我們?cè)诘孛嬗^測(cè)到的μ子壽命要長(zhǎng)很多。這樣它們就有足夠的時(shí)間從高層大氣運(yùn)動(dòng)到地表。這是狹義相對(duì)論正確性的最好實(shí)驗(yàn)證明之一。
了解μ子如何在宇宙射線中產(chǎn)生后，科學(xué)家們就掌握了如何在加速器中產(chǎn)生μ子，精密測(cè)量它的各種性質(zhì)。在各種高能粒子反應(yīng)中產(chǎn)生的μ子也可以被準(zhǔn)確探測(cè)到。
目前在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）運(yùn)行的緊湊型繆子螺線管探測(cè)器（compact muon solenoid，簡(jiǎn)稱CMS）就是一個(gè)大型的μ子探測(cè)器。在Muon g-2這個(gè)實(shí)驗(yàn)中被測(cè)量的μ子反常磁矩，也是它的一個(gè)重要參數(shù)。
在探索基本粒子世界的過程中，理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在20世紀(jì)都做出了卓越的貢獻(xiàn)，建立了一套標(biāo)準(zhǔn)模型，但這套模型本質(zhì)上并不“標(biāo)準(zhǔn)”。
自從人類學(xué)會(huì)了建造加速器后，除了觀察宇宙射線里自然產(chǎn)生的高能粒子外，還可以通過碰撞質(zhì)子、電子這些穩(wěn)定粒子，產(chǎn)生新的粒子。一對(duì)高能粒子對(duì)撞，只要能量夠高，碰撞后就有可能把一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成新的粒子。就這樣，我們已經(jīng)撞出了大量新的粒子。除了上文提到的 “二代” 粒子，“三代” 粒子也是存在的。最重的 “三代” 粒子 “頂夸克” 在1995年于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron加速器被發(fā)現(xiàn)。
理論物理學(xué)家們通過這些大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在量子場(chǎng)論的理論架構(gòu)上，提出了粒子物理的 “標(biāo)準(zhǔn)模型”。這個(gè)模型可以描述所有已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的基本粒子和他們之間的強(qiáng)、電磁、弱三種基本相互作用。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型算出來的電子反常磁矩也是在萬億分之一這個(gè)量級(jí)上與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相符合。標(biāo)準(zhǔn)模型中還包含了一個(gè)非常精妙的Higgs機(jī)制，而這個(gè)機(jī)制預(yù)言的Higgs粒子，也在2012年被發(fā)現(xiàn)。所以，標(biāo)準(zhǔn)模型可謂是一套空前成功的理論。
標(biāo)準(zhǔn)模型粒子表
然而，所有物理學(xué)家都清楚，這個(gè) “標(biāo)準(zhǔn)模型” 并不是什么神圣不可侵犯的宇宙規(guī)律。它只不過是目前科學(xué)家們用數(shù)學(xué)對(duì)已知粒子行為的最好的描述。縱觀近代物理學(xué)史，很少有哪個(gè)新的理論完全推翻了過去的舊理論。新理論往往是給舊的理論設(shè)定了一個(gè)適用范圍，然后給出一個(gè)在更大范圍內(nèi)更加普適的規(guī)律。例如，狹義相對(duì)論并沒有推翻經(jīng)典力學(xué)，而是指出經(jīng)典力學(xué)對(duì)自然的描述只是相對(duì)論的描述在低速下的近似。
在粒子物理界，科學(xué)家們已經(jīng)很清楚，目前的標(biāo)準(zhǔn)模型在能量更高（比現(xiàn)在最大的加速器的能量還要大一萬億倍）的粒子碰撞時(shí)肯定是不適用的。引用徐一鴻在《簡(jiǎn)明量子場(chǎng)論》一書中的一句很風(fēng)趣的話：“如果你碰到一個(gè)自稱是物理學(xué)家的人要賣給你一套適用于任何能量尺度的理論，你最好調(diào)查一下他是不是靠賣二手車為生?！?所以，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理規(guī)律是早晚的事。
另外，難道現(xiàn)在真的沒有任何觀察到的現(xiàn)象是標(biāo)準(zhǔn)模型沒辦法解釋的嗎？非也！一個(gè)非常簡(jiǎn)單的問題：為什么宇宙中的物質(zhì)比反物質(zhì)多這么多？雖然標(biāo)準(zhǔn)模型中的一些機(jī)制讓物質(zhì)粒子與反物質(zhì)粒子的行為略有區(qū)別，但是這種區(qū)別沒有大到可以解釋這個(gè)物質(zhì)很多反物質(zhì)很少的宇宙。除此之外，天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙中標(biāo)準(zhǔn)模型里的粒子只占總能量的5%，而所謂的暗物質(zhì)則占27% ，標(biāo)準(zhǔn)模型能描述的僅僅是宇宙中非常少的一部分物質(zhì)。中微子（編者注：質(zhì)量非常輕的一種不帶電輕子）的質(zhì)量究竟該用什么樣的形式 “植入” 標(biāo)準(zhǔn)模型，至今沒有定論。這樣的例子不勝枚舉，所以標(biāo)準(zhǔn)模型遠(yuǎn)不是一套無懈可擊的理論。
另一方面，標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展，以及其他更加普適的理論層出不窮。最出名的可能就是 “超對(duì)稱” 理論。其實(shí)這也是一類新理論的總稱。在這些理論里，所有標(biāo)準(zhǔn)模型里的粒子都對(duì)應(yīng)著一個(gè) “超對(duì)稱” 粒子，這些理論的不同點(diǎn)就是怎么描述這些新粒子與標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)的粒子的作用。不過遺憾的是，實(shí)驗(yàn)上并沒有足夠的證據(jù)去確定到底哪一個(gè)理論是對(duì)的。我們需要更多的自然界不符合標(biāo)準(zhǔn)模型描述的跡象， 再去判斷這些新的理論到底哪一個(gè) “靠譜”，或者說它們都 “不靠譜”。
目前還在進(jìn)行的Muon g-2的實(shí)驗(yàn)，也是為了檢驗(yàn)之前在2006年發(fā)現(xiàn)的μ子反常磁矩與理論預(yù)言不符合到底是真的不符合，還是因?yàn)槟承┱`差導(dǎo)致的。所以，千萬不要把Muon g-2實(shí)驗(yàn)想象成一個(gè) “踢館” 實(shí)驗(yàn)。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能對(duì)未來的理論發(fā)展提出 “建設(shè)性意見”。
就像計(jì)算電子的反常磁矩一樣，μ子的反常磁矩也是可以用標(biāo)準(zhǔn)模型精確計(jì)算出來的。所謂的g因子，就是μ子磁矩的一個(gè)量度。根據(jù)英國物理學(xué)家狄拉克（Paul Dirac）最開始的量子力學(xué)模型，μ子的g因子是2。后來施溫格（Julian Schwinger）考慮更多的量子力學(xué)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)g因子是稍微偏離2的，物理學(xué)界把這個(gè)偏移量稱為g-2（讀作g減2，非g杠2），并把相對(duì)偏移量(g-2)/2稱為反常磁矩。
最初，μ子的反常磁矩理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在實(shí)驗(yàn)的誤差范圍內(nèi)是相符的。但是，隨著技術(shù)的提升，實(shí)驗(yàn)誤差越來越小，兩者漸漸出現(xiàn)顯著偏差。這就像用厘米刻度尺測(cè)不出來的長(zhǎng)度差別，用毫米刻度尺就可以測(cè)出來。
2006年，Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室公布了最新的μ子的g-2實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算值有明顯偏差。在接下來的研究中，理論計(jì)算精度得到進(jìn)一步提高，兩者的差別達(dá)到3.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之多。也就是說，我們有99.98%的把握，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型是不能描述μ子的反常磁矩的。
用標(biāo)準(zhǔn)模型來計(jì)算μ子的反常磁矩也是一項(xiàng)艱巨的工作。在量子場(chǎng)論的模型里，真空并不是一無所有，而是一直不斷產(chǎn)生、湮滅正反粒子對(duì)。這些正反粒子 “泡泡” 雖然對(duì)時(shí)間做平均后依然是一無所有，但是它們會(huì)對(duì)實(shí)粒子之間的相互作用產(chǎn)生影響。μ子的反常磁矩就是因?yàn)樵谒c磁場(chǎng)相互作用時(shí)，還 “偷偷” 和真空中的 “虛粒子泡泡” 發(fā)生相互作用。如果這些 “虛粒子泡泡” 中有目前還沒有探測(cè)到的粒子，那么它就有可能是造成μ子反常磁矩實(shí)驗(yàn)與理論不符合的 “元兇”。這就給人以無限遐想……（“說不定是暗物質(zhì)呢~”）
量子色動(dòng)力學(xué)的真空漲落
μ子的反常磁矩可以通過它在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)反映出來。μ子是帶電粒子，又是有自旋的粒子?？梢园阉胂蟪梢粋€(gè)旋轉(zhuǎn)的帶電陀螺。在磁場(chǎng)里，旋轉(zhuǎn)的帶電粒子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁矩。把μ子放在磁場(chǎng)里，μ子的自旋方向就會(huì)繞著外加磁場(chǎng)轉(zhuǎn)。這種運(yùn)動(dòng)被稱為自旋進(jìn)動(dòng)。
進(jìn)動(dòng)示意圖
在實(shí)驗(yàn)上測(cè)量μ子的反常磁矩，科學(xué)家們會(huì)把用加速器產(chǎn)生的μ子儲(chǔ)存在磁場(chǎng)里，然后測(cè)量它自旋方向繞著磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)的頻率。這個(gè)進(jìn)動(dòng)頻率除以磁感應(yīng)強(qiáng)度再乘以一些常數(shù)（普朗克常數(shù)，光速之類）得到的就是(g-2)/2的值。
測(cè)量μ子的自旋進(jìn)動(dòng)肯定沒有說得這么容易。真實(shí)世界里的μ子是不會(huì)像教科書的插圖里那樣自帶箭頭指向其自旋方向的?？茖W(xué)家們必須想辦法把μ子的自旋方向轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)上可觀測(cè)的量。
這里弱相互作用的性質(zhì)幫了大忙。還記得楊振寧和李政道提出的弱相互作用宇稱不守恒嗎？弱相互作用的這個(gè)性質(zhì)決定了μ子衰變后釋放的電子方向是與子的自旋方向關(guān)聯(lián)的：μ+粒子衰變后釋放的e+粒子更傾向于沿著μ子的自旋發(fā)射。
在一番涉及相對(duì)論的計(jì)算后，人們發(fā)現(xiàn)子的自旋進(jìn)動(dòng)頻率是與探測(cè)到的電子能量隨時(shí)間的振動(dòng)頻率是一樣的。所以，只要我們記錄了μ子衰變出的電子的能量和衰變發(fā)生的時(shí)間，就能分析出它的自旋進(jìn)動(dòng)頻率。μ子衰變出的電子因?yàn)閯?dòng)量已經(jīng)不是原來μ子的動(dòng)量，會(huì)脫離儲(chǔ)存環(huán)的磁場(chǎng)，打在氟化鉛探測(cè)器上。這些電子都是以近光速進(jìn)入氟化鉛探測(cè)器，產(chǎn)生Cerenkov輻射，發(fā)出微弱的光。在氟化鉛探測(cè)器后裝有SiPM（硅光電倍增器），把這些微弱的光信號(hào)放大成電脈沖。這些探測(cè)到的電脈沖會(huì)被數(shù)模轉(zhuǎn)換器記錄為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)在實(shí)驗(yàn)室的硬盤和磁帶上。
其實(shí)探測(cè)基本粒子并不復(fù)雜，關(guān)鍵是要把它們留下的痕跡轉(zhuǎn)換成光、電這些人們100年前就研究很清楚的東西。不過這100年來人類在工程上的進(jìn)步，已經(jīng)讓我們可以把這么微弱的信號(hào)放大到可以探測(cè)的強(qiáng)度，并且能在納秒的時(shí)間尺度去記錄這發(fā)生的一切。有了這些儀器，我們才有可能去精密的研究基本粒子的各種性質(zhì)。
除了μ子的自旋進(jìn)動(dòng)頻率，儲(chǔ)存μ子的磁場(chǎng)也需要被測(cè)量。用來產(chǎn)生磁場(chǎng)的環(huán)形磁鐵價(jià)格昂貴，是從上一代實(shí)驗(yàn)繼承下來的，但是磁場(chǎng)探測(cè)設(shè)備幾乎是重新設(shè)計(jì)的。我所在的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）研究組就是主要負(fù)責(zé)用核磁共振探頭測(cè)量磁場(chǎng)。大家可能在醫(yī)療成像領(lǐng)域聽說過核磁共振，它的原理就是讓一個(gè)射頻信號(hào)的頻率與原子核在磁場(chǎng)里的進(jìn)動(dòng)頻率相同，然后用這個(gè)射頻信號(hào)去操縱原子核，再探測(cè)之后原子核發(fā)出的信號(hào)。說穿了，我們就是用質(zhì)子在磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)頻率來度量磁場(chǎng)。在做實(shí)驗(yàn)的過程中，大約每隔三天我們就會(huì)把一輛載有17個(gè)核磁共振探頭的 “小火車” 放在磁場(chǎng)中掃描磁場(chǎng)。最后在做數(shù)據(jù)分析時(shí)，根據(jù)μ子的進(jìn)動(dòng)頻率和我們測(cè)量的磁場(chǎng)平均值我們就可以算出來μ子的反常磁矩。
科研是很嚴(yán)肅的工作，雖然我們業(yè)余生活豐富多彩，但是到了工作的時(shí)候，大家都是一絲不茍。甚至為了讓實(shí)驗(yàn)正常運(yùn)行，很多人都要犧牲很多個(gè)人時(shí)間。
從實(shí)驗(yàn)設(shè)備開始建造那天起，我們就不停遇見新的挑戰(zhàn)。
2013年，μ子儲(chǔ)存環(huán)磁鐵的超導(dǎo)線圈從布魯克海文實(shí)驗(yàn)室啟程，從紐約長(zhǎng)島沿美國東海岸南下，沿密西西比河北上，再沿著公路慢慢開到費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室。許多圍觀群眾以為我們?cè)谶\(yùn)一架外星飛船。
在我們看來，這個(gè)過程每一天都是提心吊膽。磁鐵的超導(dǎo)線圈非常脆弱，這個(gè)14米直徑的線圈只要一側(cè)相對(duì)另一側(cè)形變2毫米，線圈就會(huì)斷，整個(gè)計(jì)劃就前功盡棄。所以整個(gè)運(yùn)輸過程都是小心翼翼。經(jīng)過拆解、長(zhǎng)途跋涉、重新組裝，誰也不能保證它還能正常運(yùn)行。當(dāng)大家看到這個(gè)超導(dǎo)磁鐵被冷卻到液氦溫度，并把電流加到5000A時(shí)，才松了口氣。
接下來，我們的一個(gè)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過一年奮戰(zhàn)，把幾千個(gè)鐵塊調(diào)到最合適的位置，讓整個(gè)環(huán)的磁場(chǎng)不均勻性控制在在萬分之一這個(gè)級(jí)別。科研不僅僅是對(duì)腦力的挑戰(zhàn)，也是對(duì)體力和耐心的挑戰(zhàn)：用酒精擦干凈真空倉的每個(gè)角落，排布電纜，安裝電子儀器……雖然這些勞動(dòng)聽起來非?？菰铮且堰@個(gè)實(shí)驗(yàn)做好，儀器的每一根線都要連對(duì)。如果在清理真空倉時(shí)粗心大意，就會(huì)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的時(shí)候花幾天都達(dá)不到需要的真空度，在殘余氣體過多時(shí)，各種高壓電極就會(huì)火花四濺。這些都是我們?cè)?017年調(diào)試儀器的時(shí)候親身經(jīng)歷過的。
2017年7月，在一個(gè)炎熱的夏日，第一束混著很多質(zhì)子的子注入g-2實(shí)驗(yàn)的儲(chǔ)存環(huán)，我們也第一次看到了μ子自旋進(jìn)動(dòng)的信號(hào)。我們十幾個(gè)有幸能目睹這一刻的人當(dāng)晚就在費(fèi)米村里的酒館慶祝了一下。但開機(jī)調(diào)試不久，我們又發(fā)現(xiàn)很多儀器并不是像設(shè)計(jì)的那樣完美，很多新問題需要解決。解決這些問題可不像解教科書上的習(xí)題那么容易。沒有什么地方有標(biāo)準(zhǔn)答案案，我們只能根據(jù)觀察到的現(xiàn)象來推測(cè)到底是哪一個(gè)儀器出了問題。這時(shí)候大家只能傾盡所有智慧，猜測(cè)可能的情況，然后再嚴(yán)禁的分析每一種情況，最終找出問題的真正緣由，再設(shè)計(jì)解決問題的方案?？梢哉f，每解決一個(gè)小問題都是一場(chǎng) “科研冒險(xiǎn)”。
當(dāng)少年們夢(mèng)想著長(zhǎng)大后當(dāng)科學(xué)家時(shí)，可能都有志向稱為下一個(gè)牛頓，下一個(gè)愛因斯坦。但是，整個(gè)近代科學(xué)發(fā)展的400多年，才出現(xiàn)兩位這個(gè)級(jí)別的物理學(xué)家。就算把這個(gè)名單擴(kuò)展到下一個(gè)層級(jí)，能排上號(hào)的也不多。有時(shí)候我們不禁慨嘆：“簡(jiǎn)單的問題都被100年前的偉人解決了，困難的問題都被這100年的偉人解決了，留給我們做的只有超級(jí)困難的問題?！彪m然這句話講出來確實(shí)有些無奈，但是我們依然相信，再困難的問題也是可以在人類的集體智慧下解決。在這個(gè)過程中，自己能夠?qū)W習(xí)到過去的科學(xué)先驅(qū)的精妙思想，又能為解決當(dāng)前的困難問題貢獻(xiàn)自己的腦力和體力，不亦樂乎？
2008年7月，我們終于有了第一批數(shù)據(jù)，接下來又是漫長(zhǎng)的數(shù)據(jù)分析過程。每一種系統(tǒng)誤差都有人負(fù)責(zé)研究怎么修正，怎么確定最后的誤差值。在數(shù)據(jù)分析的過程中，也總是會(huì)發(fā)現(xiàn)一些之前沒有考慮到的誤差來源，這時(shí)候可能還需要在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行有針對(duì)性的測(cè)量來確定第一批數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差。在數(shù)據(jù)分析的過程中，最大的危險(xiǎn)莫過于自己先入為主的意識(shí)。
學(xué)界流傳著一種 “研究生效應(yīng)” 的傳言。歐洲核子研究中心（CERN）的很多實(shí)驗(yàn)也在找標(biāo)準(zhǔn)模型以外的粒子，這些項(xiàng)目中很多也是一些研究生的畢業(yè)項(xiàng)目。一般來說，如果學(xué)生的分析與標(biāo)準(zhǔn)模型一致，那就是很平凡的結(jié)果。只要分析沒有大問題，導(dǎo)師都會(huì)讓他通過。但是一旦學(xué)生的分析結(jié)果有和標(biāo)準(zhǔn)模型不一致的發(fā)現(xiàn)，那么導(dǎo)師就會(huì)非常仔細(xì)地審核學(xué)生的分析，看看他的分析是否可信。所以很多學(xué)生傾向于 “符合標(biāo)準(zhǔn)模型” 這種結(jié)果以盡快畢業(yè)。如果有這樣的心理偏向，就很可能在數(shù)據(jù)分析還不徹底但是結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)模型時(shí)，學(xué)生就說工作做完了。這樣分析出來的結(jié)果顯然就沒有什么說服力。先不論這個(gè)傳言的真假，“研究生效應(yīng)”在我們的實(shí)驗(yàn)中是一定要避免的。
怎么排除這種心理偏向呢？一個(gè)物理界公認(rèn)的做法是叫 “盲分析”（blind analysis），就是在自己宣布自己對(duì)分析結(jié)果有信心之前，自己不知道結(jié)果是什么。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們把實(shí)驗(yàn)中用來測(cè)量子自旋進(jìn)動(dòng)頻率的時(shí)鐘稍微調(diào)偏一點(diǎn)，偏離值由合作組之外的人嚴(yán)格保管。這個(gè)時(shí)鐘的控制面板也被保密人鎖起來了。因?yàn)檫@個(gè)偏差值和我們預(yù)期的系統(tǒng)誤差處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，除了保密人，沒有人能夠通過分析數(shù)據(jù)來知道這個(gè)數(shù)。等我們對(duì)自己的分析方法胸有成竹時(shí)，保密人再告訴我們這個(gè)偏離值，我們用它來計(jì)算最終的分析結(jié)果。很多人戲稱這個(gè)過程為 “打開盒子”。
第一批數(shù)據(jù)的分析整整經(jīng)歷了兩年半的時(shí)間。終于，合作組的所有人都同意最后的數(shù)據(jù)分析方案，可以打開盒子看最終的結(jié)果了。
“打開盒子”的程序
為了謹(jǐn)慎起見，不讓一些意外引起軒然大波，我們打開盒子看實(shí)驗(yàn)結(jié)果的過程是嚴(yán)格保密的。所有參加那個(gè)會(huì)議的人都要簽署保密協(xié)議，保證任何結(jié)果都不外傳，然后按照既定日期向公眾公開結(jié)果。在4月7日 Chris Polly 的報(bào)告中，他也分享了這激動(dòng)人心的一刻。我們把我們盲分析的結(jié)果和時(shí)鐘頻率偏移量作為輸入，最終結(jié)果作為輸出，寫了一個(gè)程序。然后保密的時(shí)鐘頻率偏移量被從信封里拿出來，輸入到程序里，按下return鍵，我們便看到了實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和布魯克海文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致，兩者合在一起后與標(biāo)準(zhǔn)模型的偏差達(dá)到4.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差！歡呼聲立刻從zoom的各個(gè)終端傳來。
講到這里，大家不難看出，Muon g-2實(shí)驗(yàn)的兩大困難分別是保證實(shí)驗(yàn)的平穩(wěn)運(yùn)行和有理有據(jù)的給實(shí)驗(yàn)結(jié)果一個(gè)誤差。為什么誤差分析這么重要？因?yàn)樗胁徽務(wù)`差的測(cè)量都是耍流氓！
那么，我們的數(shù)據(jù)分析是否可能有錯(cuò)誤呢？答案是可能的，但是我很有信心，讀到我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果的讀者提出來的可能產(chǎn)生誤差的原因我們都考慮過了，而且我們還仔細(xì)分析了那些不從事這個(gè)實(shí)驗(yàn)幾年的人根本想不到的誤差來源?；鹧劢鹁Φ慕M員們?cè)诜治鰯?shù)據(jù)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)問題，經(jīng)過幾個(gè)月的討論，確定誤差的產(chǎn)生機(jī)制，然后設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量方案去驗(yàn)證，最后設(shè)計(jì)一個(gè)分析方法去降低此類誤差，并且給出它對(duì)最終結(jié)果的影響。
理論計(jì)算的誤差也是一樣?？赡苡腥藭?huì)問，為什么理論計(jì)算也有誤差？其實(shí)μ子的反常磁矩計(jì)算中的一部分，也就是真空中“夸克泡泡”的影響，是需要用到正負(fù)電子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就會(huì)連帶進(jìn)入μ子的反常磁矩的計(jì)算誤差里。另外一種方法是用量子色動(dòng)力學(xué)從第一性原理進(jìn)行計(jì)算，但這些計(jì)算也是要經(jīng)過很多步近似來得到。所以，這些基于標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算也是有誤差的，但是這些誤差也是理論物理學(xué)家們經(jīng)過嚴(yán)格分析給出的結(jié)論。雖然現(xiàn)在μ子的反常磁矩的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和理論計(jì)算值之間的偏差還沒有達(dá)到5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差這個(gè)指標(biāo)，但是想在標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)解釋這個(gè)偏差，或者找到實(shí)驗(yàn)上的缺陷，也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
在我參與到Muon g-2這個(gè)實(shí)驗(yàn)的四年多的歷程里，我很榮幸能和這么多世界頂尖科學(xué)家一起為這個(gè)目標(biāo)奮斗，看著我們的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成長(zhǎng)。在這個(gè)過程中，有奮戰(zhàn)多年的博士生畢業(yè)了，有年輕的博士生加入了，有的博士后終于在科研行業(yè)內(nèi)找到了職位，有的博士后最終還是選擇去了工業(yè)界，有幾位老一輩的科學(xué)家，最終還是沒有等到第一批數(shù)據(jù)結(jié)果出來的那一天。
在我們公布結(jié)果的報(bào)告中，或許很多人只看到了這一串?dāng)?shù)字。但是為了得到這個(gè)數(shù)，幾百位科學(xué)家工程師付出的心血與汗水，是無價(jià)的。對(duì)于從這個(gè)實(shí)驗(yàn)的最初策劃時(shí)就在這個(gè)團(tuán)隊(duì)的人來說，這真的是十年磨一劍。
有不少人問我：“這個(gè)成果能拿諾貝爾獎(jiǎng)嗎？” 我個(gè)人覺得，這個(gè)成果離諾貝爾獎(jiǎng)還是有距離的。畢竟現(xiàn)在還沒有達(dá)到5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的指標(biāo)。就算若干年后，實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果確定下來了標(biāo)準(zhǔn)模型不能精確計(jì)算μ子的反常磁矩，這也僅僅是給標(biāo)準(zhǔn)模型 “不能解釋的現(xiàn)象一覽表” 中多加了一項(xiàng)。物理學(xué)界也沒有為此 “大地震”。想要有“革命性的突破”還需要更多的積累，需要更多熱愛科學(xué)的人加入到這個(gè)團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)尋找標(biāo)準(zhǔn)模型的漏洞。當(dāng)然Muon g-2也不是“最后的嘗試”。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室正在緊鑼密鼓的籌備著下一代中微子實(shí)驗(yàn)DUNE，未來幾年Muon g-2的姐妹實(shí)驗(yàn)Mu2e也要開始運(yùn)行，LHC在升級(jí)后能否探測(cè)到新粒子也是未知的。探索未知物理世界的機(jī)會(huì)還有很多。
回顧Muon g-2從布魯克海文的實(shí)驗(yàn)到我們今天成果的整個(gè)歷程，能看到前一代實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累是怎么傳遞到我們這一代人手中的。如果回顧整個(gè)人類的科學(xué)發(fā)展史，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這更是史詩級(jí)的接力賽。從古希臘一直到今天，經(jīng)過上千年的積累，人類才有今日對(duì)自然的認(rèn)識(shí)。許多知識(shí)寫在教科書里，我們學(xué)了一個(gè)學(xué)期就可以去考試了。但是這些規(guī)律被發(fā)現(xiàn)的歷程，卻也是經(jīng)歷了各種曲折。了解了這些故事，我覺得今日我們所克服的困難也是在為后人編寫教科書。經(jīng)歷過科研中的種種磨煉，也會(huì)有自己也是在這部史詩中的感覺。
就像在《指環(huán)王》里Frodo所領(lǐng)悟到的（轉(zhuǎn)述）：“那些故事里的英雄人物，像我們一樣，有很多放棄的機(jī)會(huì)，但是他們沒有。因?yàn)槿绻麄兎艞壛?，他們的故事也就被遺忘了…… 偉大的故事都不會(huì)有結(jié)束，而我們就在這個(gè)故事中。我們扮演的角色或許會(huì)離開，但是這個(gè)故事還要繼續(xù)講下去?！?/span>
我也希望有更多的孩子愿意加入我們的行列，走進(jìn)這個(gè)故事，并把這個(gè)故事繼續(xù)講下去。聽老師的話，終有一天，別人轉(zhuǎn)發(fā)的微信里也都會(huì)是你的研究成果。
參考資料：
1.https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=112259
2.https://arxiv.org/abs/hep-ex/0106101
3.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801
4.https://posts.careerengine.us/p/6073159d68700963f3094ff8
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