近日，在美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)(Muon g-2)公布首個(gè)結(jié)果：基本粒子繆子的行為和標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)言不相符，該結(jié)果與早期美國布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。這預(yù)示著，世界上可能存在新的未知粒子或者作用力。

“這意味著原本經(jīng)歷了多次考驗(yàn)，堪稱完美的標(biāo)準(zhǔn)模型理論也許并不能完全描述粒子世界的規(guī)律，也許會有更完美的理論等待人類去發(fā)現(xiàn)。”繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)早期成員之一、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授李亮告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

粒子物理學(xué)界的里程碑時(shí)刻

“今天是偉大的一天，不僅我們在期待這一天，整個(gè)國際物理學(xué)界都在期待這一天的到來。”4月7日，繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)共同發(fā)言人、意大利核物理研究所物理學(xué)家格拉齊亞諾·韋南佐尼在公布繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)說。

繆子在宇宙射線穿透地球大氣層時(shí)會自然產(chǎn)生，人們也可以通過粒子加速器(比如位于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子加速器)來大量制造繆子。與電子類似，繆子也有內(nèi)稟磁矩，在外界磁場下，繆子的磁矩指向會發(fā)生進(jìn)動(dòng)或者搖晃，好比旋轉(zhuǎn)的陀螺會發(fā)生搖晃一樣。繆子內(nèi)稟磁矩的大小決定了繆子進(jìn)動(dòng)頻率的大小，這兩者之間的比值被物理學(xué)家稱為“旋磁比”(也叫g(shù)-因子)，這個(gè)比值能夠被理論精確計(jì)算。同時(shí)當(dāng)繆子在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，它也和時(shí)空最深處起伏不定的量子泡沫發(fā)生相互作用。這些轉(zhuǎn)瞬即逝的量子泡沫(也叫“虛粒子”)會影響g-因子，從而使得繆子進(jìn)動(dòng)的頻率加快或者變慢一點(diǎn)點(diǎn)。

“粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型可以對這一反常的磁矩影響做出非常精確的預(yù)言。如果量子泡沫中包含新的未知作用力或者粒子，標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言就將失效。”該實(shí)驗(yàn)參與者之一、上海交通大學(xué)長聘教軌副教授許金祥告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

“對繆子進(jìn)行超精密測量是個(gè)了不起的成就。繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)將對未來若干年尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供指引。”費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室副主任喬·萊肯說，“這是粒子物理學(xué)界的里程碑時(shí)刻。”

將產(chǎn)生顛覆性影響

“我們測量的是繆子與周圍世界的相互作用。當(dāng)理論物理學(xué)家利用已知的標(biāo)準(zhǔn)模型對這一相互作用進(jìn)行計(jì)算時(shí)，他們得到的答案卻和我們不一樣”。美國肯塔基大學(xué)物理學(xué)家、繆子反常磁矩模擬數(shù)據(jù)組負(fù)責(zé)人蕾妮·法塔米說，“這強(qiáng)烈暗示著在現(xiàn)有理論之外有新東西的存在，而繆子對此非常敏感。”

20多年前，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的研究人員就發(fā)現(xiàn)繆子的行為與標(biāo)準(zhǔn)模型不符的一些跡象。

此次費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的綜合測量結(jié)果與理論值相差4.2倍標(biāo)準(zhǔn)方差，比5倍標(biāo)準(zhǔn)方差略小。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。

“當(dāng)前測得的這一數(shù)值，已經(jīng)足夠說明我們現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模型理論可能只是在特定情況下的一種近似理論。”李亮說，“這意味著我們所在的空間可能有尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子存在，或者有新的作用力存在。而在這一新發(fā)現(xiàn)之前，物理學(xué)的四種作用力以及物理世界究竟有些什么粒子已經(jīng)基本達(dá)成了共識。一旦新發(fā)現(xiàn)的可能性被‘坐實(shí)’，將對粒子物理乃至整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性的影響。”

愛因斯坦發(fā)現(xiàn)相對論，描述了極速運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)引力場下的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在人類視野拓展到太空后，其價(jià)值才凸顯出來。如果這一發(fā)現(xiàn)突破了現(xiàn)有物理理論框架，也會對人類生活產(chǎn)生重大的影響。

“但這個(gè)影響可能不是立刻就能體現(xiàn)出來，需要一段時(shí)間的發(fā)展和醞釀。”李亮說。

尋找新物理的信心

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)跨國合作項(xiàng)目，其國際合作組目前由7個(gè)國家、35個(gè)研究單位的近200個(gè)科研工作者組成。

2012年，上海交通大學(xué)成立繆子物理團(tuán)隊(duì)并參加了費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)。在此過程中，上海交大團(tuán)隊(duì)前期在量能器的研發(fā)和束流測試方面做出了重要貢獻(xiàn)，后期在探測器模擬、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)的多方面也有較突出貢獻(xiàn)，同時(shí)還參與了精確磁場的測量、校準(zhǔn)方面的研究，是當(dāng)前合作組中參與各項(xiàng)測量任務(wù)最全面的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)之一。

2013年，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的長約50英尺(16米)的超導(dǎo)儲存環(huán)從紐約運(yùn)到芝加哥郊區(qū)的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室。在接下來的4年里，研究人員搭建了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備;調(diào)整和校準(zhǔn)了無比均勻的磁場;研發(fā)了新的探測技術(shù)、儀器和仿真程序;全面測試了整個(gè)系統(tǒng)。

2018年，繆子反常磁矩實(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)在繆子反常磁矩國際合作組已經(jīng)分析了超過80億個(gè)繆子的數(shù)據(jù)。

今年2月25日正式數(shù)據(jù)分析結(jié)果出來時(shí)，遍布世界各地的100多個(gè)成員在線參加了結(jié)果的揭曉。許金祥說，當(dāng)數(shù)據(jù)分析結(jié)果公布那一刻，可以聽到來自世界各地的歡呼聲。

“一年后，還會公布一批結(jié)果。”許金祥說，“實(shí)驗(yàn)的第二期和第三期數(shù)據(jù)分析正在進(jìn)行中，同時(shí)實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行第四期的取數(shù)，接下來還有第五期的運(yùn)行。通過分析全部五期的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們能夠得到更加精確的測量結(jié)果，從而對發(fā)現(xiàn)新物理更加充滿信心。”

關(guān)鍵詞： 繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)