時(shí)隔20年,，物理學(xué)界的重大發(fā)現(xiàn),！令人期待已久的美國能源部費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的μ介子g-2實(shí)驗(yàn)的結(jié)果強(qiáng)烈表明，μ介子偏離了標(biāo)準(zhǔn)模型的計(jì)算,，可能暗示著令人興奮的新物理學(xué),。學(xué)界期待已久的「μ介子反常磁矩實(shí)驗(yàn)」首個(gè)結(jié)果現(xiàn)已公布：基本粒子μ子（繆子）的行為和標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言不相符。這是迄今為止最精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，堪稱一個(gè)里程碑式的突破,，這個(gè)結(jié)果為μ介子物理領(lǐng)域新物理的發(fā)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。μ介子作為新物理的探針可以探測(cè)到未知的相互作用,。費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家今天宣布,，μ介子--與電子相似的基本粒子--在繞著磁化環(huán)晃動(dòng)時(shí)，晃動(dòng)幅度超過預(yù)期,。這兩個(gè)關(guān)于μ介子擺動(dòng)或者磁矩的測(cè)量結(jié)果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了理論預(yù)測(cè),，正如去年一個(gè)由132名理論物理學(xué)家組成的國際聯(lián)盟所計(jì)算的那樣。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的綜合測(cè)量結(jié)果與理論值相差4.2倍標(biāo)準(zhǔn)方差,，比5倍標(biāo)準(zhǔn)方差略?。?倍標(biāo)準(zhǔn)方差是科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)的最終標(biāo)準(zhǔn)）。▲布魯克海文實(shí)驗(yàn)室（BNL） 這已經(jīng)是一個(gè)非常有力的證據(jù),，出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)誤差的概率僅有四萬分之一,。從表面上看，這種差異強(qiáng)烈表明,，自然界中的未知粒子正在給μ介子額外的推力,。這樣的發(fā)現(xiàn)終于預(yù)示著有50年歷史的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的語言失敗，這是一個(gè)描述已知基本粒子和相互作用的方程組,。「今天是非凡的一天,，不僅是我們，也是整個(gè)國際物理學(xué)界期待已久的一天」,，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室 μ 介子g-2實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者之一,、意大利國家核物理研究所的物理學(xué)家Graziano Venanzoni告訴媒體。▲意大利國家核物理研究所的物理學(xué)家Graziano Venanzoni
1997年至2001年,，最初的μ 介子 g-2實(shí)驗(yàn)是在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BNL）開始的。物理學(xué)家沒有從頭開始建立一個(gè)新的實(shí)驗(yàn),，而是利用一系列駁船和卡車沿著大西洋海岸,，穿過墨西哥灣,，沿著密西西比河、伊利諾伊河和德斯普蘭斯,，將這個(gè)700噸重的電磁環(huán)送到位于芝加哥郊區(qū)的費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室,。2001年，研究人員公布了他們的第一個(gè)結(jié)果,，μ介子的g因子是2.0023318404.研究人員在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(chǎng)量度）略大于理論預(yù)測(cè)。當(dāng)時(shí),，這一結(jié)果引起了物理界的轟動(dòng)和爭(zhēng)議,。如果這些結(jié)果最終得到證實(shí)，它們可能揭示新粒子的存在,，并顛覆基礎(chǔ)物理學(xué),。布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的前身實(shí)驗(yàn)于2001年結(jié)束，它提供了μ介子的行為與標(biāo)準(zhǔn)模型不一致的提示,。而費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的μ介子g-2實(shí)驗(yàn)的新測(cè)量結(jié)果與布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的數(shù)值非常一致,，并以迄今為止最精確的測(cè)量結(jié)果與理論相左。
今日費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了該實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果,，測(cè)得μ子的反常磁矩為：該值與依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算得出的理論值相差3.3倍標(biāo)準(zhǔn)差,，且與早前布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室E821實(shí)驗(yàn)測(cè)出的μ子反常磁矩一致。結(jié)合兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的μ子反常磁矩實(shí)驗(yàn)值為4.2倍標(biāo)準(zhǔn)差然而,，盡管許多粒子物理學(xué)家可能會(huì)歡呼雀躍,，爭(zhēng)先恐后地提出可以解釋這種差異的新想法，但《自然》雜志今天發(fā)表的一篇論文將這種新的μ介子測(cè)量方法投射到了一片極其黯淡的陰影中,。正當(dāng)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室小組公布其新測(cè)量結(jié)果時(shí)發(fā)表的這篇論文表明,，μ 介子測(cè)量到的擺動(dòng)正是標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的。在論文中,，一個(gè)名為BMW的團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算最不確定的術(shù)語進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì) μ 介子磁矩的預(yù)測(cè),。根據(jù)BMW的計(jì)算，這個(gè)詞的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于去年Theory Initiative采納的價(jià)值,。BMW的較大項(xiàng)導(dǎo)致 μ 介子磁矩的總體預(yù)測(cè)值更大,，使預(yù)測(cè)與測(cè)量結(jié)果一致。如果新的計(jì)算是正確的,，那么物理學(xué)家可能已經(jīng)花了20年去追尋一個(gè)幽靈,。但是Theory Initiative的預(yù)測(cè)依賴于一種不同的計(jì)算方法，這種方法經(jīng)過幾十年的磨練,，很可能是正確的,。在這種情況下，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的新測(cè)量就成了粒子物理學(xué)多年來最令人興奮的結(jié)果,。賓州州立大學(xué)的理論粒子物理學(xué)家Zoltan Fodor是BMW團(tuán)隊(duì)的一員,，他說: 「這是一個(gè)非常敏感和有趣的情況?！?/span>μ介子反常磁矩儲(chǔ)存環(huán)的俯視圖,。μ介子在環(huán)中以將近光速順時(shí)針運(yùn)行 大約500圈以后（64微秒）會(huì)產(chǎn)生衰變。μ介子反常磁矩實(shí)驗(yàn)將通過測(cè)量μ介子衰變的產(chǎn)物（電子）來獲得μ介子的磁性,。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的粒子理論學(xué)家 Aida El-Khadra 共同成立了Theory Initiative,，她解釋說，應(yīng)該嚴(yán)肅對(duì)待BMW的計(jì)算,，但是這個(gè)計(jì)算沒有被納入理論計(jì)劃的總體預(yù)測(cè)中,，因?yàn)檫@項(xiàng)計(jì)算仍然需要審查。如果其他小組獨(dú)立核實(shí)BMW的計(jì)算,，Theory Initiative將納入它的下一個(gè)評(píng)估,。▲伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的粒子物理學(xué)家 Aida El-Khadra 是Theory Initiative的組織者之一，Theory Initiative于去年發(fā)表了關(guān)于 μ 介子磁矩的最佳理論估計(jì),。德累斯頓技術(shù)大學(xué)(Technical University of Dresden)的理論物理學(xué)家Dominik St?ckinger參與了Theory Initiative,，也是費(fèi)米μ介子g-2團(tuán)隊(duì)的成員。他說,，BMW的結(jié)果造成了「一種不明確的狀態(tài)」,。除非物理學(xué)家們對(duì)他們已知的17個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的影響達(dá)成一致，否則他們不能確定新的奇異粒子是否正在推動(dòng) μ 介子,。無論如何,，我們有足夠的理由保持樂觀: 研究人員強(qiáng)調(diào)，即使BMW是正確的,，這兩種計(jì)算之間令人費(fèi)解的鴻溝本身也可能指向新的物理學(xué),。但就目前而言，過去20年理論與實(shí)驗(yàn)之間的沖突似乎已經(jīng)被一場(chǎng)更加意想不到的戰(zhàn)斗所取代: 理論與理論之間的戰(zhàn)斗,。
物理學(xué)家們熱切期待費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的新測(cè)量結(jié)果,，是因?yàn)?μ 介子的磁矩編碼了大量關(guān)于宇宙的信息。一個(gè)世紀(jì)以前,，物理學(xué)家們假設(shè)基本粒子的磁矩會(huì)遵循與較大物體相同的公式,。相反，他們發(fā)現(xiàn)電子在磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)速度是預(yù)期的兩倍,。它們的「回磁比」或「g 因子」似乎是2,，而不是1。后來的驚人發(fā)現(xiàn)解釋了這一事實(shí),，即電子是自旋1/2的粒子,，在完成兩個(gè)完整的轉(zhuǎn)彎之后，它們會(huì)返回到相同的狀態(tài),。多年來,，人們認(rèn)為電子和 μ 介子的 g 因子正好都是2,。但是在1947年，Polykarp Kusch 和 Henry Foley 測(cè)量到電子的 g 因子為2.00232,。▲Polykarp Kusch（波利卡普·庫施）,，德裔美國物理學(xué)家，1955年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 理論物理學(xué)家Julian Schwinger 立即解釋了這些額外的位元,。他指出,，這些微小的變化來自于電子在穿越空間時(shí)發(fā)射和重新吸收光子的趨勢(shì)。許多其他短暫的量子漲落現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生,。在標(biāo)準(zhǔn)模型允許的無數(shù)可能性中,，電子或 μ 介子可能發(fā)射并再吸收兩個(gè)光子，或者一個(gè)光子短暫地變成電子和正電子,。這些短暫的表現(xiàn)像隨行的一個(gè)電子或 μ 介子一樣,，所有這些都有助于它的磁性。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室 μ 介子 g-2實(shí)驗(yàn)的另一位負(fù)責(zé)人Chris Polly表示,，「你認(rèn)為是裸 μ 介子的粒子,，實(shí)際上是 μ 介子加上其他自發(fā)出現(xiàn)的粒子云，它們改變了磁矩」,。量子漲落越少,，它對(duì)電子或 μ 介子 g 因子的貢獻(xiàn)就越小。由于 μ 介子比電子重207倍,，它們?cè)谥車a(chǎn)生重粒子的可能性大約是電子的2072倍(或43000倍) ,，因此這些粒子對(duì) μ 子g 因子的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子。幾十年來,，理論學(xué)家們一直在努力計(jì)算 μ 子g 因子的貢獻(xiàn),，這些 g 因子來自標(biāo)準(zhǔn)模型中已知粒子的迭代過程，這種迭代過程的可能性越來越小,，而實(shí)驗(yàn)學(xué)家們則以越來越高的精度測(cè)量了 g 因子,。如果測(cè)量結(jié)果超出預(yù)期，就會(huì)暴露出 μ 介子周圍陌生粒子的存在: 超出標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子的短暫出現(xiàn),。20世紀(jì)50年代的哥倫比亞大學(xué)就開始對(duì) μ 介子磁矩進(jìn)行測(cè)量,。十年后在歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室---- 歐洲核子研究中心開始進(jìn)行。在那里,，研究人員首創(chuàng)了費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室今天仍在使用的測(cè)量技術(shù),。高速 μ 介子被射入磁化環(huán)中。當(dāng)一個(gè) μ 介子繞著環(huán)旋轉(zhuǎn),，穿過強(qiáng)大的磁場(chǎng),，粒子的自旋軸逐漸旋轉(zhuǎn)（如下圖的小箭頭）。幾百萬分之一秒之后,，通常在環(huán)上加速幾百次之后,，μ 介子衰變,，產(chǎn)生一個(gè)電子，飛進(jìn)周圍的探測(cè)器,。從環(huán)中發(fā)射出來的電子在不同時(shí)間的不同能量揭示了 μ 介子自旋的速度,。羅格斯大學(xué)的粒子物理學(xué)家 Matthew Buckley 表示，「我不知道這是否是新物理學(xué)最后的希望,，但它肯定是一個(gè)主要的希望?！?/span>
目前μ介子反常磁矩國際合作組由7個(gè)國家,、35個(gè)研究單位的近200個(gè)科研工作者組成。中國的上海交大學(xué)者團(tuán)隊(duì)也參與其中,。僅僅在運(yùn)行的第一年（2018年）,，μ介子反常磁矩實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)量就超過了以前所有實(shí)驗(yàn)的總和。現(xiàn)在μ介子反常磁矩國際合作組已經(jīng)分析了超過八十億個(gè)μ介子的數(shù)據(jù),。上海交通大學(xué)于2012年成立μ介子物理團(tuán)隊(duì)并參加了費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室的μ介子反常磁矩實(shí)驗(yàn)（Muon g-2實(shí)驗(yàn)),，主要成員包含李亮教授與許金祥(Kim-Siang Khaw)副教授等。交大團(tuán)隊(duì)與費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室,、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和華盛頓大學(xué)等國際知名學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)在反常磁矩測(cè)量方面開展了長(zhǎng)期密切的合作,。交大團(tuán)隊(duì)前期在量能器的研發(fā)和束流測(cè)試方面做出了重要貢獻(xiàn)，后期在探測(cè)器模擬,、束流動(dòng)力學(xué)優(yōu)化與設(shè)計(jì),、事件重建、能量和時(shí)間的刻度,、離線數(shù)據(jù)分析等實(shí)驗(yàn)的多方面有較突出的貢獻(xiàn),。交大團(tuán)隊(duì)同時(shí)還參與了精確磁場(chǎng)的測(cè)量、校準(zhǔn)方面的研究,，是當(dāng)前合作組中參與各項(xiàng)測(cè)量任務(wù)最全面的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)之一,。物理與天文學(xué)院的李亮教授是費(fèi)米反常磁矩實(shí)驗(yàn)早期成員之一，現(xiàn)任離線數(shù)據(jù)組共同總召集人和合作組秘書長(zhǎng),，主導(dǎo)離線數(shù)據(jù)生成,、分析以及仿真模擬相關(guān)方面的工作。▲李亮教授,，長(zhǎng)期從事粒子物理實(shí)驗(yàn),、大科學(xué)裝置及相關(guān)交叉學(xué)科研究。1999 年本科畢業(yè)于北京大學(xué)物理系,，2005年獲得美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校博士學(xué)位,。后在美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)河濱分校從事頂夸克物理的相關(guān)研究，對(duì)2011 年單頂夸克粒子的發(fā)現(xiàn)有突出貢獻(xiàn),。2012 年回國在上海交大共同創(chuàng)建對(duì)撞機(jī)物理實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì),，帶領(lǐng)交大團(tuán)隊(duì)加入μ介子g-2實(shí)驗(yàn)國際合作組,，任合作組秘書長(zhǎng)和離線數(shù)據(jù)分析的共同總協(xié)調(diào)人。許金祥(Kim-Siang Khaw)副教授于2015年加入μ介子反常磁矩實(shí)驗(yàn),，2019年加入李政道研究所,，擔(dān)任束流動(dòng)力學(xué)修正效應(yīng)組共同召集人，負(fù)責(zé)運(yùn)用超算進(jìn)行海量數(shù)據(jù)模擬并針對(duì)主要系統(tǒng)誤差開發(fā)了新穎的數(shù)據(jù)分析方法,。▲Kim-Siang Khaw（許金祥）,，2009年本科畢業(yè)于京都大學(xué)，2011年碩士畢業(yè)于東京大學(xué),，2015年博士畢業(yè)于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院,，2015-2019年任職美國華盛頓大學(xué)博士后研究員，2019年至今任職上海交通大學(xué)李政道研究所李政道學(xué)者,、物理與天文學(xué)院長(zhǎng)聘教軌副教授,。在前沿μ介子物理實(shí)驗(yàn)有超過10年的工作經(jīng)驗(yàn)，在μ介子束流,，低溫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。
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