科学家从美国能源部的μ介子g-2实验中获得令人振奋的新物理学证据

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“今天是非同寻常的一天,不仅是我们,而且是整个国际物理学界期待已久的一天,”μ介子g-2实验的联合发言人、意大利国家核物理研究所的物理学家Graziano Venanzoni说。“大量的功劳要归功于我们的年轻研究人员,他们凭借自己的天赋、想法和热情,让我们取得了这一不可思议的成果。”

一个μ介子的质量大约是电子的200倍。当宇宙射线击中地球大气层时,μ介子就会自然产生,费米实验室的粒子加速器可以大量产生μ介子。和电子一样,μ介子的作用就像它们有一个微小的内部磁铁。在强磁场中,μ介子的磁体方向会预处理或摇摆,就像旋转的顶部或陀螺仪的轴线一样。内部磁体的强度决定了μ介子在外部磁场中的预处理速度,用一个数字来描述,物理学家称之为g因子。这个数字可以用超高精度计算出来。

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当μ介子在μ介子g-2磁体中循环时,它们也会与弹入和弹出的亚原子粒子的量子泡沫相互作用。与这些短命粒子的相互作用会影响g因子的值,导致μ介子的前行速度非常轻微地加快或减慢。标准模型极其精确地预测了这种所谓的异常磁矩。但如果量子泡沫中含有标准模型没有考虑到的额外力量或粒子,那就会进一步调整μ介子的g因子。

“我们测量的这个量反映了μ介子与宇宙中其他一切事物的相互作用。但是,当理论家们使用标准模型中所有已知的力和粒子计算相同的量时,我们得到的答案并不一样。”肯塔基大学的物理学家、μ介子g-2实验的模拟经理Renee Fatemi说。“这是一个强有力的证据,表明μ介子对一些不在我们最佳理论中的东西很敏感。”

美国能源部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。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。

Muon-g-2-Results-Plot-777x583.jpg

μ介子的公认理论值为:

g-因子:2.00233183620(86)

异常磁矩:0.00116591810(43)

[括号内为不确定性]

周三μ介子g-2实验合作公布的新的世界平均实验结果是:

g-因子: 2.00233184122(82)

异常磁矩:0.00116592061(41)

费米实验室和布鲁克海文国家实验室的综合结果显示,与理论的差异显著性为4.2sigma,离科学家们宣称发现所需的5sigma(或标准差)还差一点,但仍是新物理学的有力证据。结果是统计波动的几率约为4万分之一。

费米实验室的实验重复使用了布鲁克海文实验中的主要部件,一个50英尺直径的超导磁存储环。2013年,它通过陆路和海路从长岛运输3200英里到芝加哥郊区,科学家们可以利用费米实验室的粒子加速器,产生美国最强烈的μ介子束。在接下来的四年里,研究人员组装了实验;调整和校准了一个令人难以置信的均匀磁场;开发了新的技术、仪器和模拟;并彻底测试了整个系统。

μ介子g-2实验将一束μ介子送入存储环,在那里它们以接近光速的速度循环数千次。环内的探测器让科学家们能够确定μ介子的预处理速度。

在2018年运行的第一年,费米实验室实验收集的数据比之前所有μ介子g因子实验的总和还要多。通过来自7个国家35个机构的200多名科学家的合作,μ介子g-2实验目前已经完成了对首次运行的80多亿个μ介子的运动分析。

费米实验室科学家克里斯-波利说:"在布鲁克海文实验结束20年后,终于要解决这个谜团了,真是太令人欣慰了。"他是本次实验的联合发言人,也是布鲁克海文实验室的首席研究生。

实验的第二次和第三次运行的数据分析正在进行,第四次运行正在进行,第五次运行也在计划之中。结合这五次运行的结果,科学家们将对μ介子的晃动进行更精确的测量,更确定地揭示量子泡沫中是否隐藏着新的物理学。

"到目前为止,我们分析的数据还不到实验最终收集到的数据的6%。虽然这些最初的结果告诉我们,与标准模型存在着有趣的差异,但在接下来的几年里,我们将学到更多的东西。"波利说。

“锁定μ介子的微妙行为是一项了不起的成就,它将在未来几年内指导寻找超越标准模型的物理学,” Fermilab研究副主任Joe Lykken说。“对于粒子物理学研究来说,这是一个激动人心的时刻,而费米实验室正处于最前沿。”

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