近日，在美國費米國家實驗室進行的繆子反常磁矩實驗(Muon g-2)公布首個結果：基本粒子繆子的行為和標準模型理論預言不相符，該結果與早期美國布魯克海文實驗室的實驗結果一致。這預示著，世界上可能存在新的未知粒子或者作用力。

“這意味著原本經(jīng)歷了多次考驗，堪稱完美的標準模型理論也許并不能完全描述粒子世界的規(guī)律，也許會有更完美的理論等待人類去發(fā)現(xiàn)。”繆子反常磁矩實驗早期成員之一、上海交通大學物理與天文學院教授李亮告訴《中國科學報》。

粒子物理學界的里程碑時刻

“今天是偉大的一天，不僅我們在期待這一天，整個國際物理學界都在期待這一天的到來。”4月7日，繆子反常磁矩實驗共同發(fā)言人、意大利核物理研究所物理學家格拉齊亞諾·韋南佐尼在公布繆子反常磁矩實驗結果時說。

繆子在宇宙射線穿透地球大氣層時會自然產生，人們也可以通過粒子加速器(比如位于費米實驗室的質子加速器)來大量制造繆子。與電子類似，繆子也有內稟磁矩，在外界磁場下，繆子的磁矩指向會發(fā)生進動或者搖晃，好比旋轉的陀螺會發(fā)生搖晃一樣?？娮觾确A磁矩的大小決定了繆子進動頻率的大小，這兩者之間的比值被物理學家稱為“旋磁比”(也叫g-因子)，這個比值能夠被理論精確計算。同時當繆子在磁場中旋轉時，它也和時空最深處起伏不定的量子泡沫發(fā)生相互作用。這些轉瞬即逝的量子泡沫(也叫“虛粒子”)會影響g-因子，從而使得繆子進動的頻率加快或者變慢一點點。

“粒子物理的標準模型可以對這一反常的磁矩影響做出非常精確的預言。如果量子泡沫中包含新的未知作用力或者粒子，標準模型的預言就將失效。”該實驗參與者之一、上海交通大學長聘教軌副教授許金祥告訴《中國科學報》。

“對繆子進行超精密測量是個了不起的成就?？娮臃闯４啪貙嶒瀸ξ磥砣舾赡陮ふ页綐藴誓Ｐ偷男挛锢硖峁┲敢?。”費米實驗室副主任喬·萊肯說，“這是粒子物理學界的里程碑時刻。”

將產生顛覆性影響

“我們測量的是繆子與周圍世界的相互作用。當理論物理學家利用已知的標準模型對這一相互作用進行計算時，他們得到的答案卻和我們不一樣”。美國肯塔基大學物理學家、繆子反常磁矩模擬數(shù)據(jù)組負責人蕾妮·法塔米說，“這強烈暗示著在現(xiàn)有理論之外有新東西的存在，而繆子對此非常敏感。”

20多年前，布魯克海文實驗室的研究人員就發(fā)現(xiàn)繆子的行為與標準模型不符的一些跡象。

此次費米實驗室和布魯克海文實驗室的綜合測量結果與理論值相差4.2倍標準方差，比5倍標準方差略小。這已經(jīng)是一個非常有力的證據(jù)，出現(xiàn)統(tǒng)計誤差的概率僅有四萬分之一。

“當前測得的這一數(shù)值，已經(jīng)足夠說明我們現(xiàn)有的標準模型理論可能只是在特定情況下的一種近似理論。”李亮說，“這意味著我們所在的空間可能有尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子存在，或者有新的作用力存在。而在這一新發(fā)現(xiàn)之前，物理學的四種作用力以及物理世界究竟有些什么粒子已經(jīng)基本達成了共識。一旦新發(fā)現(xiàn)的可能性被‘坐實’，將對粒子物理乃至整個科學領域產生顛覆性的影響。”

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)相對論，描述了極速運動和強引力場下的物體運動狀態(tài)，在人類視野拓展到太空后，其價值才凸顯出來。如果這一發(fā)現(xiàn)突破了現(xiàn)有物理理論框架，也會對人類生活產生重大的影響。

“但這個影響可能不是立刻就能體現(xiàn)出來，需要一段時間的發(fā)展和醞釀。”李亮說。

尋找新物理的信心

費米實驗室的繆子反常磁矩實驗是一項跨國合作項目，其國際合作組目前由7個國家、35個研究單位的近200個科研工作者組成。

2012年，上海交通大學成立繆子物理團隊并參加了費米實驗室的繆子反常磁矩實驗。在此過程中，上海交大團隊前期在量能器的研發(fā)和束流測試方面做出了重要貢獻，后期在探測器模擬、束流動力學優(yōu)化與設計、事件重建、能量和時間的刻度、離線數(shù)據(jù)分析等實驗的多方面也有較突出貢獻，同時還參與了精確磁場的測量、校準方面的研究，是當前合作組中參與各項測量任務最全面的實驗團隊之一。

2013年，布魯克海文實驗室的長約50英尺(16米)的超導儲存環(huán)從紐約運到芝加哥郊區(qū)的費米實驗室。在接下來的4年里，研究人員搭建了各項實驗設備;調整和校準了無比均勻的磁場;研發(fā)了新的探測技術、儀器和仿真程序;全面測試了整個系統(tǒng)。

2018年，繆子反常磁矩實驗采集的數(shù)據(jù)量就超過了以前所有實驗的總和?，F(xiàn)在繆子反常磁矩國際合作組已經(jīng)分析了超過80億個繆子的數(shù)據(jù)。

今年2月25日正式數(shù)據(jù)分析結果出來時，遍布世界各地的100多個成員在線參加了結果的揭曉。許金祥說，當數(shù)據(jù)分析結果公布那一刻，可以聽到來自世界各地的歡呼聲。

“一年后，還會公布一批結果。”許金祥說，“實驗的第二期和第三期數(shù)據(jù)分析正在進行中，同時實驗還在進行第四期的取數(shù)，接下來還有第五期的運行。通過分析全部五期的數(shù)據(jù)，科學家們能夠得到更加精確的測量結果，從而對發(fā)現(xiàn)新物理更加充滿信心。”

關鍵詞： 繆子反常磁矩實驗