期待已久的μ介子实验结果即将揭晓

  经过20年的等待,重新启动的μ介子实验即将公布结果。他们计划于4月7日公布μ介子磁性的最新测量结果,物理学家对此寄予厚望,相关发现可能会导致新粒子的发现。

  这个名为“μ介子g-2”的实验是在位于美国伊利诺斯州的费米国家加速器实验室进行的。1997年至2001年,μ介子实验曾首次在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室进行,并于2001年公布并在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。

  该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(在下周或未来的实验声明中),它们可能揭示新粒子的存在,并颠覆基础物理学。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校理论物理学家Aida El-Khadra说:“每个人都坐立不安。”

  μ介子g-2实验通过在直径为15米的圆内移动粒子来测量介子的磁矩。一个强大的磁铁使介子保持在圆形轨道上,同时使它们的南北磁轴旋转。粒子的磁矩越强,轴的旋转速度就越快。“我们测量的是介子在磁场中旋转的速率。”美国波士顿大学物理学家Lee Roberts说。

  最初的实验发现与理论预期的差异很小,但却足以在理论家中引起轰动。量子物理学初步预测,基本粒子(如介子和电子)的磁矩正好等于2(用依赖于粒子的测量单位计算)。但更全面的计算揭示了这个完美值的偏差,这是由于“真空从来都不是真正的真空”这一事实造成的。介子周围的空间里充斥着各种“虚粒子”,它们改变了介子的磁场。

  存在的粒子种类越多,虚粒子对磁矩的影响就越大。这意味着,高精度的测量可以间接揭示之前未知粒子存在的证据。测量产生的磁矩与2只有轻微的不同,这种微小的差异通常用g-2表示。

  在布鲁克海文实验中,物理学家们发现g-2的值为0.0023318319。当时,这比理论学家对已知虚粒子贡献的最佳估计略大,虽然测量的精度还没有高到足以自信地宣称这种差异是真实的,但它却足以让人兴奋。

  在布鲁克海文实验中,介子磁矩的实验值必须与理论预测值相比较,而理论预测本身就有较大的不确定性。但是,尽管μ介子g-2的最佳实验测量在15年里没有改变,理论预测却在发展。

  去年,由El-Khadra共同主持的一个大型合作项目召集了几个研究小组,每个小组专门研究一种类型的虚拟粒子,并公布了基本常数的“共识”值。理论值和实验值之间的差异没有改变。

  同样是去年,一个研究小组发表了一篇预印本文章,表明μ介子g-2的理论值接近实验值。该团队专注于该理论中一个特别顽固的不确定性来源——虚胶子。如果他们的结果是正确的,理论和实验之间的差距可能是不存在的。El-Khadra说,初步的研究结果“引起了很大的轰动”,并引发了激烈的辩论。

  4月7日公布的结果可能还不能解决这个问题。由于设备的升级,该团队最终希望将μ介子g-2的精确度提高到布鲁克海文实验的4倍。但到目前为止,该研究只分析了2017年以来收集的一年的数据,误差幅度没有布鲁克海文实验的小。不过,Roberts表示,如果测量结果与最初的结果非常接近,人们对结果的信心就会提高。

  如果费米实验室最终证实了布鲁克海文实验的发现,科学界可能会要求进行进一步、独立的证实。这可能需要日本质子同步加速器正在开发的一项实验技术,该技术将以一种完全不同的方式测量μ介子的磁矩。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.73.072003

  https://doi.org/10.1016/j.physrep.2020.07.006

  https://arxiv.org/abs/2002.12347

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