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

現(xiàn)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索。在這個(gè)過(guò)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(shí)驗(yàn)室（Fermilab）進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)——μ子g-2實(shí)驗(yàn)，就正在上演著這樣一幕。

一

這項(xiàng)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?shī)W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(chǎng)，比如電子和μ子。一個(gè)粒子的磁場(chǎng)強(qiáng)度被稱(chēng)為磁矩，或者說(shuō)g因子。在上世紀(jì)20年代，光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)就揭示了電子具有固有的自旋和磁矩。當(dāng)時(shí)的測(cè)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(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(jié)合量子力學(xué)和狹義相對(duì)論提出了一個(gè)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(dòng)和電磁相互作用。根據(jù)狄拉克方程的預(yù)測(cè)，g因子等于2——與當(dāng)時(shí)的測(cè)量結(jié)果一致。

然而到了上世紀(jì)40年代，隨著實(shí)驗(yàn)變得更加精確，物理學(xué)家開(kāi)始意識(shí)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(dāng)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(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(gè)足以彌補(bǔ)理論預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的差異。然而，問(wèn)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(lái)發(fā)現(xiàn)，擾亂了電子的磁性的，實(shí)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(duì)電子產(chǎn)生的綜合影響，標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，因此對(duì)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(duì)于電子的g-2，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)卻告訴我們，事實(shí)似乎并非如此。

二

當(dāng)宇宙射線撞擊地球大氣層時(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(nèi)部磁鐵，它的質(zhì)量是電子的207倍，對(duì)新型的虛粒子特別敏感。早期對(duì)μ子的反常磁矩進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果與理論預(yù)測(cè)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(duì)μ子的磁性造成了相同的影響。

但到了2001年，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的μ子g-2實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)的目的在于進(jìn)一步提高測(cè)量結(jié)果的精確度，并觀察四種基本力之一的弱力對(duì)反常磁矩的影響。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功地將誤差縮小到百萬(wàn)分之0.5，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)在新的測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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)的重要線索？費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的μ子g-2實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的μ子g-2實(shí)驗(yàn)的續(xù)作，目的是對(duì)這種差異進(jìn)行重新檢驗(yàn)。

4月7日，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究人員公布了μ子g-2實(shí)驗(yàn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的μ子g-2實(shí)驗(yàn)完全一致的結(jié)果。這個(gè)迄今為止最精確的測(cè)量結(jié)果，證實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)模型并不足以解釋所發(fā)生的一切，它無(wú)法完美地預(yù)測(cè)μ子的行為。

三

在新的μ子g-2實(shí)驗(yàn)中，來(lái)自加速器的質(zhì)子會(huì)撞擊到一個(gè)目標(biāo)，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(yàn)

π介子繞著一個(gè)周長(zhǎng)為505米的環(huán)運(yùn)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，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(dǎo)磁存儲(chǔ)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(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(xiàn)輕微的擺動(dòng)。

圖片素材來(lái)源：g-2實(shí)驗(yàn)/quantamagazine

每循環(huán)一圈，μ子的自旋軸就會(huì)改變12°。在存儲(chǔ)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μ子自旋所指的方向發(fā)射。通過(guò)利用存儲(chǔ)環(huán)上的探測(cè)器記錄下這些電子的數(shù)量和能量，就能計(jì)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(nèi)磁場(chǎng)的精確測(cè)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(shí)驗(yàn)于4月7日所公布的最新測(cè)量結(jié)果與布魯克海文所測(cè)結(jié)果一致，兩次實(shí)驗(yàn)對(duì)反常磁矩的平均測(cè)量值為0.00116592061(41)；與之相比，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)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(jì)波動(dòng)導(dǎo)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(xiàng)新發(fā)現(xiàn)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(jù)。

 圖片素材來(lái)源：B.ABI ET AL/PRL 2021

新的μ子g-2實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)的分析。而這個(gè)數(shù)據(jù)量?jī)H是該實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)劃中。相信當(dāng)科學(xué)家收集到所有五次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，將會(huì)揭示出更多令人驚訝的信息。這些對(duì)μ子磁性的測(cè)量是一項(xiàng)了不起的成就，它或?qū)⒅笇?dǎo)我們?cè)谖磥?lái)幾年尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)。

4月7日，μ子g-2實(shí)驗(yàn)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(guó)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?！?/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

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