費米實驗室μ介子g-2實驗的存儲環(huán)磁鐵 圖片來源：Reidar Hahn/Fermilab

經(jīng)過20年的等待，重新啟動的μ介子實驗即將公布結(jié)果。他們計劃于4月7日公布μ介子磁性的最新測量結(jié)果，物理學(xué)家對此寄予厚望，相關(guān)發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致新粒子的發(fā)現(xiàn)。

這個名為“μ介子g-2”的實驗是在位于美國伊利諾斯州的費米國家加速器實驗室進(jìn)行的。1997年至2001年，μ介子實驗曾首次在紐約長島的布魯克海文國家實驗室進(jìn)行，并于2001年公布并在2006年最終確定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)μ介子的磁矩（產(chǎn)生的磁場量度）略大于理論預(yù)測。

該結(jié)果引起了物理界的轟動和爭議。如果這些結(jié)果最終得到證實（在下周或未來的實驗聲明中），它們可能揭示新粒子的存在，并顛覆基礎(chǔ)物理學(xué)。美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校理論物理學(xué)家Aida El-Khadra說：“每個人都坐立不安。”

μ介子g-2實驗通過在直徑為15米的圓內(nèi)移動粒子來測量介子的磁矩。一個強(qiáng)大的磁鐵使介子保持在圓形軌道上，同時使它們的南北磁軸旋轉(zhuǎn)。粒子的磁矩越強(qiáng)，軸的旋轉(zhuǎn)速度就越快?！拔覀儨y量的是介子在磁場中旋轉(zhuǎn)的速率。”美國波士頓大學(xué)物理學(xué)家Lee Roberts說。

最初的實驗發(fā)現(xiàn)與理論預(yù)期的差異很小，但卻足以在理論家中引起轟動。量子物理學(xué)初步預(yù)測，基本粒子（如介子和電子）的磁矩正好等于2(用依賴于粒子的測量單位計算)。但更全面的計算揭示了這個完美值的偏差，這是由于“真空從來都不是真正的真空”這一事實造成的。介子周圍的空間里充斥著各種“虛粒子”，它們改變了介子的磁場。

存在的粒子種類越多，虛粒子對磁矩的影響就越大。這意味著，高精度的測量可以間接揭示之前未知粒子存在的證據(jù)。測量產(chǎn)生的磁矩與2只有輕微的不同，這種微小的差異通常用g-2表示。

在布魯克海文實驗中，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)g-2的值為0.0023318319。當(dāng)時，這比理論學(xué)家對已知虛粒子貢獻(xiàn)的最佳估計略大，雖然測量的精度還沒有高到足以自信地宣稱這種差異是真實的，但它卻足以讓人興奮。

在布魯克海文實驗中，介子磁矩的實驗值必須與理論預(yù)測值相比較，而理論預(yù)測本身就有較大的不確定性。但是，盡管μ介子g-2的最佳實驗測量在15年里沒有改變，理論預(yù)測卻在發(fā)展。

去年，由El-Khadra共同主持的一個大型合作項目召集了幾個研究小組，每個小組專門研究一種類型的虛擬粒子，并公布了基本常數(shù)的“共識”值。理論值和實驗值之間的差異沒有改變。

同樣是去年，一個研究小組發(fā)表了一篇預(yù)印本文章，表明μ介子g-2的理論值接近實驗值。該團(tuán)隊專注于該理論中一個特別頑固的不確定性來源——虛膠子。如果他們的結(jié)果是正確的，理論和實驗之間的差距可能是不存在的。El-Khadra說，初步的研究結(jié)果“引起了很大的轟動”，并引發(fā)了激烈的辯論。

4月7日公布的結(jié)果可能還不能解決這個問題。由于設(shè)備的升級，該團(tuán)隊最終希望將μ介子g-2的精確度提高到布魯克海文實驗的4倍。但到目前為止，該研究只分析了2017年以來收集的一年的數(shù)據(jù)，誤差幅度沒有布魯克海文實驗的小。不過，Roberts表示，如果測量結(jié)果與最初的結(jié)果非常接近，人們對結(jié)果的信心就會提高。

如果費米實驗室最終證實了布魯克海文實驗的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)界可能會要求進(jìn)行進(jìn)一步、獨立的證實。這可能需要日本質(zhì)子同步加速器正在開發(fā)的一項實驗技術(shù)，該技術(shù)將以一種完全不同的方式測量μ介子的磁矩。

相關(guān)論文信息：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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