伟大的μ介子！等待20年，费米实验室公布了这个重磅结果！上交大学者助力发现粒子物理学「最后的希望」

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来源：新智元

学界期待已久的「μ介子反常磁矩实验」首个结果现已公布：基本粒子μ子（缪子）的行为和标准模型理论预言不相符。

这是迄今为止最精确的实验结果，堪称一个里程碑式的突破，这个结果为μ介子物理领域新物理的发现提供了强有力的证据。μ介子作为新物理的探针可以探测到未知的相互作用。

费米国家加速器实验室的物理学家今天宣布，μ介子--与电子相似的基本粒子--在绕着磁化环晃动时，晃动幅度超过预期。

这两个关于μ介子摆动或者磁矩的测量结果都远远超出了理论预测，正如去年一个由132名理论物理学家组成的国际联盟所计算的那样。

费米实验室和布鲁克海文实验室的综合测量结果与理论值相差4.2倍标准方差，比5倍标准方差略小（5倍标准方差是科学家宣布发现的最终标准）。

布鲁克海文实验室（BNL）

这已经是一个非常有力的证据，出现统计误差的概率仅有四万分之一。

从表面上看，这种差异强烈表明，自然界中的未知粒子正在给μ介子额外的推力。这样的发现终于预示着有50年历史的粒子物理标准模型的语言失败，这是一个描述已知基本粒子和相互作用的方程组。

「今天是非凡的一天，不仅是我们，也是整个国际物理学界期待已久的一天」，费米实验室 μ 介子g-2实验的领导者之一、意大利国家核物理研究所的物理学家Graziano Venanzoni告诉媒体。

意大利国家核物理研究所的物理学家GrazianoVenanzoni

始于布鲁克海文国家实验室，科学家找到新物理学有力证据

1997年至2001年，最初的μ 介子 g-2实验是在布鲁克海文国家实验室（BNL）开始的。

物理学家没有从头开始建立一个新的实验，而是利用一系列驳船和卡车沿着大西洋海岸，穿过墨西哥湾，沿着密西西比河、伊利诺伊河和德斯普兰斯，将这个700吨重的电磁环送到位于芝加哥郊区的费米国家实验室。

2001年，研究人员公布了他们的第一个结果，μ介子的g因子是2.0023318404.

研究人员在2006年最终确定结果，发现μ介子的磁矩（产生的磁场量度）略大于理论预测。

当时，这一结果引起了物理界的轰动和争议。

如果这些结果最终得到证实，它们可能揭示新粒子的存在，并颠覆基础物理学。

布鲁克海文国家实验室的前身实验于2001年结束，它提供了μ介子的行为与标准模型不一致的提示。

而费米实验室的μ介子g-2实验的新测量结果与布鲁克海文国家实验室发现的数值非常一致，并以迄今为止最精确的测量结果与理论相左。

今日费米实验室发布了该实验的初步结果，测得μ子的反常磁矩为：

该值与依据标准模型计算得出的理论值相差3.3倍标准差，且与早前布鲁克海文国家实验室E821实验测出的μ子反常磁矩一致。

结合两次实验数据得出的μ子反常磁矩实验值为4.2倍标准差

然而，尽管许多粒子物理学家可能会欢呼雀跃，争先恐后地提出可以解释这种差异的新想法，但《自然》杂志今天发表的一篇论文将这种新的μ介子测量方法投射到了一片极其黯淡的阴影中。

正当费米实验室小组公布其新测量结果时发表的这篇论文表明，μ 介子测量到的摆动正是标准模型所预测的。

在论文中，一个名为BMW的团队提出了一个最先进的超级计算机计算最不确定的术语进入标准模型对 μ 介子磁矩的预测。

根据BMW的计算，这个词的价值远远高于去年Theory Initiative采纳的价值。BMW的较大项导致 μ 介子磁矩的总体预测值更大，使预测与测量结果一致。

如果新的计算是正确的，那么物理学家可能已经花了20年去追寻一个幽灵。

但是Theory Initiative的预测依赖于一种不同的计算方法，这种方法经过几十年的磨练，很可能是正确的。在这种情况下，费米实验室的新测量就成了粒子物理学多年来最令人兴奋的结果。

宾州州立大学的理论粒子物理学家Zoltan Fodor是BMW团队的一员，他说: 「这是一个非常敏感和有趣的情况。」

μ介子反常磁矩储存环的俯视图。μ介子在环中以将近光速顺时针运行 大约500圈以后（64微秒）会产生衰变。μ介子反常磁矩实验将通过测量μ介子衰变的产物（电子）来获得μ介子的磁性。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的粒子理论学家 Aida El-Khadra 共同成立了Theory Initiative，她解释说，应该严肃对待BMW的计算，但是这个计算没有被纳入理论计划的总体预测中，因为这项计算仍然需要审查。如果其他小组独立核实BMW的计算，Theory Initiative将纳入它的下一个评估。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的粒子物理学家 Aida El-Khadra 是Theory Initiative的组织者之一，Theory Initiative于去年发表了关于 μ 介子磁矩的最佳理论估计。

德累斯顿技术大学(Technical University of Dresden)的理论物理学家Dominik Stöckinger参与了Theory Initiative，也是费米μ介子g-2团队的成员。他说，BMW的结果造成了「一种不明确的状态」。

除非物理学家们对他们已知的17个标准模型粒子的影响达成一致，否则他们不能确定新的奇异粒子是否正在推动 μ 介子。

无论如何，我们有足够的理由保持乐观: 研究人员强调，即使BMW是正确的，这两种计算之间令人费解的鸿沟本身也可能指向新的物理学。

但就目前而言，过去20年理论与实验之间的冲突似乎已经被一场更加意想不到的战斗所取代: 理论与理论之间的战斗。

伟大的 μ 介子

物理学家们热切期待费米实验室的新测量结果，是因为 μ 介子的磁矩编码了大量关于宇宙的信息。

一个世纪以前，物理学家们假设基本粒子的磁矩会遵循与较大物体相同的公式。相反，他们发现电子在磁场中的旋转速度是预期的两倍。

它们的「回磁比」或「g 因子」似乎是2，而不是1。

后来的惊人发现解释了这一事实，即电子是自旋1/2的粒子，在完成两个完整的转弯之后，它们会返回到相同的状态。

多年来，人们认为电子和 μ 介子的 g 因子正好都是2。

但是在1947年，Polykarp Kusch 和 Henry Foley 测量到电子的 g 因子为2.00232。

Polykarp Kusch（波利卡普·库施），德裔美国物理学家，1955年获诺贝尔物理学奖 

理论物理学家Julian Schwinger 立即解释了这些额外的位元。他指出，这些微小的变化来自于电子在穿越空间时发射和重新吸收光子的趋势。

许多其他短暂的量子涨落现象也会发生。在标准模型允许的无数可能性中，电子或 μ 介子可能发射并再吸收两个光子，或者一个光子短暂地变成电子和正电子。

这些短暂的表现像随行的一个电子或 μ 介子一样，所有这些都有助于它的磁性。

费米实验室 μ 介子 g-2实验的另一位负责人Chris Polly表示，「你认为是裸 μ 介子的粒子，实际上是 μ 介子加上其他自发出现的粒子云，它们改变了磁矩」。

量子涨落越少，它对电子或μ介子g因子的贡献就越小。

由于 μ 介子比电子重207倍，它们在周围产生重粒子的可能性大约是电子的2072倍(或43000倍) ，因此这些粒子对 μ 子g 因子的影响远远大于电子。

几十年来，理论学家们一直在努力计算 μ 子g 因子的贡献，这些 g 因子来自标准模型中已知粒子的迭代过程，这种迭代过程的可能性越来越小，而实验学家们则以越来越高的精度测量了 g 因子。

如果测量结果超出预期，就会暴露出 μ 介子周围陌生粒子的存在: 超出标准模型的粒子的短暂出现。

20世纪50年代的哥伦比亚大学就开始对 μ 介子磁矩进行测量。十年后在欧洲粒子物理实验室---- 欧洲核子研究中心开始进行。在那里，研究人员首创了费米实验室今天仍在使用的测量技术。

高速 μ 介子被射入磁化环中。当一个 μ 介子绕着环旋转，穿过强大的磁场，粒子的自旋轴逐渐旋转（如下图的小箭头）。

几百万分之一秒之后，通常在环上加速几百次之后，μ 介子衰变，产生一个电子，飞进周围的探测器。从环中发射出来的电子在不同时间的不同能量揭示了 μ 介子自旋的速度。

罗格斯大学的粒子物理学家 Matthew Buckley 表示，「我不知道这是否是新物理学最后的希望，但它肯定是一个主要的希望。」

上海交大学者助力费米实验室的μ介子反常磁矩实验

目前μ介子反常磁矩国际合作组由7个国家、35个研究单位的近200个科研工作者组成。中国的上海交大学者团队也参与其中。

缪子反常磁矩国际合作组合影

仅仅在运行的第一年（2018年），μ介子反常磁矩实验采集的数据量就超过了以前所有实验的总和。现在μ介子反常磁矩国际合作组已经分析了超过八十亿个μ介子的数据。

上海交通大学于2012年成立μ介子物理团队并参加了费米国家实验室的μ介子反常磁矩实验（Muon g-2实验)，主要成员包含李亮教授与许金祥(Kim-Siang Khaw)副教授等。

交大团队与费米国家实验室、阿贡国家实验室和华盛顿大学等国际知名学术机构在反常磁矩测量方面开展了长期密切的合作。

交大团队前期在量能器的研发和束流测试方面做出了重要贡献，后期在探测器模拟、束流动力学优化与设计、事件重建、能量和时间的刻度、离线数据分析等实验的多方面有较突出的贡献。交大团队同时还参与了精确磁场的测量、校准方面的研究，是当前合作组中参与各项测量任务最全面的实验团队之一。

物理与天文学院的李亮教授是费米反常磁矩实验早期成员之一，现任离线数据组共同总召集人和合作组秘书长，主导离线数据生成、分析以及仿真模拟相关方面的工作。

李亮教授，长期从事粒子物理实验、大科学装置及相关交叉学科研究。1999 年本科毕业于北京大学物理系，2005年获得美国威斯康辛大学麦迪逊分校博士学位。后在美国费米实验室和加州大学河滨分校从事顶夸克物理的相关研究，对2011 年单顶夸克粒子的发现有突出贡献。2012 年回国在上海交大共同创建对撞机物理实验团队，带领交大团队加入μ介子g-2实验国际合作组，任合作组秘书长和离线数据分析的共同总协调人。

许金祥(Kim-Siang Khaw)副教授于2015年加入μ介子反常磁矩实验，2019年加入李政道研究所，担任束流动力学修正效应组共同召集人，负责运用超算进行海量数据模拟并针对主要系统误差开发了新颖的数据分析方法。

Kim-Siang Khaw（许金祥），2009年本科毕业于京都大学，2011年硕士毕业于东京大学，2015年博士毕业于苏黎世联邦理工学院，2015-2019年任职美国华盛顿大学博士后研究员，2019年至今任职上海交通大学李政道研究所李政道学者、物理与天文学院长聘教轨副教授。在前沿μ介子物理实验有超过10年的工作经验，在μ介子束流，低温μ介子素源，μ介子反常磁矩研究方面取得了一系列突出研究成果。

参考资料：

https://www.quantamagazine.org/muon-g-2-experiment-at-fermilab-finds-hint-of-new-particles-20210407/

https://news.sjtu.edu.cn/jdzh/20210407/145073.html

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