經過二十年的等待，其中包括漫長的資金爭取以及跨越半個大陸的搬遷，一項關於繆子（一種類似於電子但更重且不穩定的粒子）的重啟實驗即將公佈其結果。物理學家們對這項計劃於 4 月 7 日釋出的最新的繆子磁性測量結果寄予厚望，希望它能證實早期的發現，從而可能導致新粒子的發現。
繆子 g – 2 實驗，現位於伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室（費米實驗室），最初於 1997 年至 2001 年在紐約長島的布魯克海文國家實驗室執行。2001 年首次宣佈、並於 2006 年最終確定的原始結果發現，繆子的磁矩（衡量其產生的磁場的量）略大於理論預測。這在物理學家中引起了轟動， 並引發了爭議。如果這些結果最終得到證實——在下週的公告中，或透過未來的實驗——它們可能會揭示新基本粒子的存在，並顛覆基礎物理學。“每個人都很焦急，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的理論物理學家艾達·埃爾-卡德拉說。
磁性測量
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繆子 g – 2 透過將粒子在直徑 15 米的圓圈中移動來測量繆子的磁矩。強大的磁鐵使繆子保持在其圓形軌道上，同時使其磁性南北軸旋轉。粒子的磁矩越強，軸旋轉得越快。“我們測量的是繆子在磁場中旋轉的速度，就像一個 [旋轉的] 陀螺儀進動一樣，”馬薩諸塞州波士頓大學的物理學家李·羅伯茨說，他自 1989 年以來一直從事繆子 g – 2 及其前身的研究。
原始實驗發現的與理論預期的偏差很小，但足以引起理論家們的關注。初步近似來看，量子物理學預測，繆子和電子等基本粒子的磁矩正好等於 2（單位取決於粒子）。但是，更完整的計算揭示了與這個完美值的偏差，這是由於空的空間永遠不是真正空的。繆子周圍的空間充滿了各種“虛粒子”——真實粒子的短暫版本，它們不斷地從真空中出現和消失——這些虛粒子會改變繆子的磁場。
存在的粒子型別越多，它們的虛粒子版本對磁矩的影響就越大。這意味著高精度測量可以揭示先前未知粒子存在的間接證據。“基本上，我們測量的是一個數字，它是自然界中一切事物的總和，”羅伯茨說。
由此產生的磁矩僅與 2 略有不同，而這種微小的差異通常用 g – 2 表示。在布魯克海文，物理學家發現 g – 2 為 0.0023318319。當時，這略大於理論學家對已知虛粒子貢獻的最佳估計值。
測量的精度不足以自信地聲稱這種差異是真實的，但它足以引起興奮。這些結果也出現在該領域似乎準備迎來爆炸性發現時期的時候。大型強子對撞機 (LHC) 當時正在瑞士-法國邊境建造，理論家們相信它將發現大量新粒子。但是，除了 2012 年曆史性的希格斯玻色子發現之外，LHC 沒有發現任何其他基本粒子。此外，其資料排除了許多可能使繆子磁矩膨脹的虛粒子的潛在候選者，加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室的理論物理學家邁克爾·佩斯金說。
但佩斯金說，LHC 並沒有排除所有可能解釋這種差異的因素。德國德累斯頓大學的理論物理學家多米尼克·斯托金格說，其中之一是希格斯玻色子不止一種，而是至少兩種。
不斷發展的理論
在布魯克海文實驗時，繆子磁矩的實驗值必須與理論預測進行比較，而理論預測本身就帶有相對較大的不確定性。但是，儘管 g – 2 的最佳實驗測量值在 15 年內沒有變化，但理論已經發展。去年，由埃爾-卡德拉共同主持的一個大型合作專案彙集了多個研究團隊——每個團隊都專注於一種類型的虛粒子——併發布了基本常數的“共識”值。理論值和實驗值之間的差異沒有改變。
同樣在去年，一個名為布達佩斯-馬賽-伍珀塔爾合作組的團隊釋出了一份預印本，該預印本提出了一個更接近實驗值的 g – 2 理論值。該團隊專注於理論中一個特別頑固的不確定性來源，該來源來自膠子的虛粒子版本，膠子是傳遞強核力的粒子。如果他們的結果是正確的，那麼理論與實驗之間的差距可能根本不存在。埃爾-卡德拉說，目前正在接受出版審查的初步研究結果“引起了巨大轟動”，此後一直受到激烈辯論。
4 月 7 日公佈的結果可能還不能完全解決這個問題。由於裝置升級，該團隊最終預計與布魯克海文實驗相比，可以將 g – 2 的精度提高四倍。但到目前為止，他們僅分析了自 2017 年以來收集的一年的資料——不足以使誤差範圍比布魯克海文實驗的誤差範圍更窄。儘管如此，羅伯茨說，如果測量結果與原始結果非常吻合，那麼對該結果的信心將會提高。
如果費米實驗室最終證實了布魯克海文的意外發現，科學界可能會要求進一步的獨立確認。這可能來自日本質子加速器研究中心 (J-PARC) 在東海附近開發的一種實驗技術，該技術將以一種截然不同的方式測量繆子的磁矩。
補充報道：伊麗莎白·吉布尼。
本文經許可轉載，最初於 2021 年 3 月 30 日首次發表。