寻找超越物理学标准模型的实验，有了最新结果

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨，设计：雯雯，原文标题：《著名实验发布最新结果》，题图来自：视觉中国

暗物质和暗能量的本质是什么？为什么今天宇宙中充满了物质，而不是反物质？引力如何与量子力学结合……

现代物理学中有许多未解的大谜题，而一些问题的答案或许与未被发现的基本粒子或基本力有关。换句话说，物理学家一直在寻找超越粒子物理学标准模型的新粒子。

粒子物理学标准模型描述了基本粒子的属性和它们之间的相互作用。

标准模型是50多年前被设计提出的，用于解释自然界最小的组成部分。尽管标准模型在过去取得了非凡的成就，但它并不是物理学家一直渴望的完整的“万有理论”。因此，物理学家进行各种实验，希望能够发现与标准模型预期偏离的实验结果。

2021年，一个庞大的国际物理学家团队在美国费米实验室进行了实验，证实了一种被称为μ子的基本粒子的磁矩，比标准模型所预测的稍微更强一些。这一发现为找到超越标准模型的物理学带来了希望。而就在昨天（8月10日），同一个研究团队报告了对μ子磁矩的最新测量结果，其精度是之前测量结果的两倍。

在费米实验室进行的μ子g-2实验。（图/Fermilab）

g-2实验  

µ子是自然界中的基本粒子之一，它与原子中的电子相似，但质量是电子的207倍。当宇宙线撞击地球大气层时，μ子就会自然产生，地球上的一些大型粒子加速器也可以大量产生μ子。

新实验研究了µ子如何与1.45特斯拉的磁场相互作用。在磁场中，μ子像旋转的陀螺一样摆动，摆动速率与磁场强度成正比。

数十亿的μ子会在实验中产生并储存于一个直径14米的被称为储存环的圆形磁铁中。最终，µ子衰变为电子，位于储存环内部的探测器会对其计数。探测到的电子数量与摆动速率成比例地变化，所以电子数量可以告知我们µ子摆动的速率，电子越多，测量结果就越精确。

μ子的摆动和磁场之间的相互作用可以用一个叫做“g因子”的无量纲常数来量化，即旋磁比。物理学家保罗·狄拉克预测它的值是g = 2。但是根据量子力学，真空中充满了突然出现又转瞬即逝的虚粒子。这些虚粒子会影响μ子与磁场的相互作用，使g的值略大于2。这就是为什么物理学家要进行g与2之差，或者说g-2实验。标准模型中存在的任何缺失部分，都会使g-2略高或略低于预测值。这也使得g-2实验成为寻找新物理学的强大工具。

在实验中，来自加速器的质子会撞击到一个目标，产生π介子，其中一些介子会衰变成μ子。π介子绕着一个周长为505米的环运动，直到几乎所有的π介子都衰变成μ子。接着，自旋指向相同方向的μ子束被送入储存环中，在那里，μ子以接近光速的速度在磁铁中循环数千次。最终，通过将μ子的自旋方向和环内磁场的精确测量相结合，就可以揭示由虚粒子的相互作用引起的μ子的反常磁矩。

更加精确   

现在，µ子g-2合作组基于前三年的数据，宣布新的实验结果为：g-2 = 0.00233184110 +/- 0.00000000043（统计） +/- 0.00000000019 （系统）。

通过这次的测量，合作组已经达到了减少一种特定类型的不确定性的目标，即由实验缺陷引起的不确定性，或者说系统不确定性。

虽然总的系统不确定性已经超过了设计目标，但更大的不确定性——统计不确定性，是由分析的数据量驱动的。与首次公布的结果相比，最新公布的结果增加了两年的数据量。一旦科学家将6年的所有数据都纳入分析中后，费米实验室将达到这项实验的最终统计不确定性。

超越标准模型？  

不过，物理学家对于这一结果是否挑战了标准模型尚无定论。这并不是因为新的测量结果与之前的结果不一致（是一致的），而是因为与两年前相比，标准模型对μ子磁矩的预测似乎没有那么确定了。在理论争议得到解决之前，对这种差异的任何解读都将笼罩在疑云之中。

有两种可能，一种是理论和实验可能最终无法达成一致，这将意味着还存在未知的新粒子或自然力，也意味着标准模型需要进一步完备；另一种是更新的预测结果会缩小差距，进而成为对标准模型的巨大肯定。

不管怎样，新的超精确测量结果为最后的决战奠定了基础。

参考来源：

https://news.fnal.gov/2023/08/muon-g-2-doubles-down-with-latest-measurement/

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨，设计：雯雯