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重大突破:交大学者助力费米实验室的缪子反常磁矩实验获得里程碑意义的成果

费米实验室缪子反常磁矩的首个实验结果表明基本粒子缪子的行为和标准模型理论预言不相符。该结果与早期美国布鲁克海文实验室的实验结果相一致。这两个实验结合在一起为新物理的存在提供了强有力的证据,预示着世界上可能存在新的未知的粒子或者作用力。

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缪子反常磁矩储存环的俯视图。缪子在环中以将近光速顺时针运行 大约500圈以后(64微秒)会产生衰变。缪子反常磁矩实验将通过测量缪子衰变的产物(电子)来获得缪子的磁性。图源:费米实验室

经过长时间的期待,美国能源部费米国家实验室的缪子反常磁矩实验首个结果现已公布:基本粒子缪子的行为和标准模型理论预言不相符。这是迄今为止最精确的实验结果,堪称一个里程碑式的突破,这个结果为缪子物理领域新物理的发现提供了强有力的证据。缪子作为新物理的探针可以探测到未知的相互作用。

缪子反常磁矩实验的共同发言人、意大利核物理研究所的物理学家格拉齐亚诺·韦南佐尼(Graziano Venanzoni)说“今天是伟大的一天,不仅仅是我们在期待这一天,整个国际物理学界都在期待这一天的到来。在这个实验里年轻人起了很大的作用。正是他们的才智、创意和热情,使得我们能够获得如此出色的成果”。

缪子比它的近亲电子重200倍。缪子在宇宙射线穿透地球大气层时会自然产生。人们也可以通过粒子加速器(比如位于费米实验室的质子加速器)来大量制造缪子。与电子类似,缪子也有内禀磁矩。在外界强磁场下,缪子的磁矩指向会发生进动或者摇晃,好比旋转的陀螺会发生摇晃一样。缪子内禀磁矩的大小决定了缪子进动频率的大小,这两者之间的比值被物理学家称为“旋磁比”(也叫“g-因子”)。这个比值能够被理论精确计算。当缪子在磁场中旋转时,它也和时空最深处起伏不定的量子泡沫发生相互作用。这些转瞬即逝的泡沫(也叫“虚粒子”)会影响g-因子,从而使得缪子进动的频率加快或者变慢一点点。粒子物理的标准模型可以对这一反常的磁矩影响做出非常精确的预言。但是如果量子泡沫中包含新的未知作用力或者粒子,标准模型的预言就将失效。

“我们测量的是缪子与周围世界的相互作用。当理论家利用已知的标准模型对这一相互作用进行计算时,他们得到的答案却和我们不一样”。美国肯塔基大学的物理学家、缪子反常磁矩模拟数据组负责人蕾妮·法塔米(Renee Fatemi)说。“这强烈暗示着在现有理论之外有新东西的存在,而缪子对此非常敏感。”

研究人员们早先在布鲁克海文实验室进行过类似的实验,该实验于2001年结束前已经发现了缪子的行为与标准模型不符的一些迹象。现在的新实验结果更加精确,与当年布鲁克海文实验的结果相符,而与理论计算结果不符。

目前理论计算的结果是g-因子=2.00233183620(86),反常磁矩:0.00116591810(43)

新的综合实验测量结果是g-因子=2.00233184122(82),反常磁矩:0.00116592061(41)

费米实验室和布鲁克海文实验室的综合测量结果与理论值相差4.2倍标准方差,比5倍标准方差略小(5倍标准方差是科学家宣布发现的最终标准)。这已经是一个非常有力的证据,出现统计误差的概率仅有四万分之一。

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缪子反常磁矩储存环搭建时的照片 图源:费米实验室

2013年,布鲁克海文实验室的长约50英尺(16米)的超导储存环从纽约长岛经过3200英里(5200公里)的长途海陆运输来到芝加哥郊区的费米实验室。费米实验室有大型粒子加速器可以产生美国最强的缪子束流。在接下来的四年里,研究人员搭建了各项实验设备;调整和校准了无比均匀的磁场;研发了新的探测技术、仪器和仿真程序;全面测试了整个系统。

缪子反常磁矩实验向储存环发射一束缪子束流,这些缪子在储存环内以接近光速的速度旋转数千圈。围绕着储存环放置的探测器可以让科学家们测量缪子的进动频率。

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子反常磁矩国际合作组合影

目前缪子反常磁矩国际合作组由7个国家、35个研究单位的近200个科研工作者组成。仅仅在运行的第一年(2018年),缪子反常磁矩实验采集的数据量就超过了以前所有实验的总和。现在缪子反常磁矩国际合作组已经分析了超过八十亿个缪子的数据。

“自从上次的布鲁克海文实验结束以来,已经过去20多年了。现在我们终于等到了谜底揭开的一天,这太令人欣慰了。”费米实验室的科学家克里斯·波利(Chris Polly)说。他现为缪子反常磁矩的共同发言人,也曾作为主要的研究生成员之一在布鲁克海文实验中工作过。费米实验的第二期和第三期数据的分析正在进行中,同时实验还在进行第四期的取数,接下来还会有第五期的运行。通过分析全部五期的数据,科学家们能够得到更加精确的测量结果,从而对新物理的寻找更加充满信心。波利说“目前我们仅仅分析了6%的数据。尽管首个测量结果令人十分振奋,我们在接下来的几年内还会收获到更多。”“对缪子进行超精密测量是一个了不起的成就。缪子反常磁矩实验将对未来若干年寻找超越标准模型的新物理提供指引。”费米实验室副主任乔·莱肯(Joe Lykken)说,“这是粒子物理学界的里程碑时刻,费米实验室在进行最前沿的研究”。

上海交通大学于2012年成立缪子物理团队并参加了费米国家实验室的缪子反常磁矩实验(Muon g-2实验),主要成员包含李亮教授与许金祥(Kim-Siang Khaw)副教授等。交大团队与费米国家实验室、阿贡国家实验室和华盛顿大学等国际知名学术机构在反常磁矩测量方面开展了长期密切的合作。交大团队前期在量能器的研发和束流测试方面做出了重要贡献,后期在探测器模拟、束流动力学优化与设计、事件重建、能量和时间的刻度、离线数据分析等实验的多方面有较突出的贡献。交大团队同时还参与了精确磁场的测量、校准方面的研究,是当前合作组中参与各项测量任务最全面的实验团队之一。交大团队成员们对缪子反常磁矩第一期物理数据的缪子进动频率(六个主要独立分析结果之一)和磁场测量(三个主要独立分析结果之一),以及束流动力学修正(四个主要修正之一)都进行了详细的数据分析,即将作为合作组首批物理结果发表在《物理评论快报》(PRL)和3篇《物理评论》(PRA,PRAB,PRD)上并担任文章的主要作者。

物理与天文学院的李亮教授是费米反常磁矩实验早期成员之一,现任离线数据组共同总召集人和合作组秘书长,主导离线数据生成、分析以及仿真模拟相关方面的工作。

许金祥(Kim-Siang Khaw)副教授于2015年加入缪子反常磁矩实验,2019年加入李政道研究所,担任束流动力学修正效应组共同召集人,负责运用超算进行海量数据模拟并针对主要系统误差开发了新颖的数据分析方法。

团队的其他成员有李柄志博士生、储兆林硕士生、胡越恺博士生、埃雷梅·瓦列托夫(Eremey Valetov)博士后和李迪开博士后(已出站)。

4月9日下午,物理与天文学院与李政道研究所联合举办李政道前沿讲坛与学术报告(Special Seminar),对本次里程碑式的成果进行详细解读。

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物理与天文学院、李政道研究所
李政道研究所
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