一个反常的基本粒子

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：二宗主，题图来自：视觉中国

现代物理学充满了曲折离奇的故事，物理学家常常必须从看似毫不相关或微不足道的信息中，小心翼翼地抽丝剥茧才能分离出重要线索。在这个过程中，物理学家就像侦探一样，从大量数据中精确地捕捉到那些极易被忽视的证据，再推理得出重大发现。在费米实验室（Fermilab）进行的一项实验——μ子g-2实验，就正在上演着这样一幕。

一

这项新的研究与隐藏在标准模型中的基本粒子——μ子身上的磁性奥秘有关。我们知道，所有旋转着的带电物体都能够产生磁场，比如电子和μ子。一个粒子的磁场强度被称为磁矩，或者说g因子。在上世纪20年代，光谱学实验就揭示了电子具有固有的自旋和磁矩。当时的测量结果表明，电子的磁矩g的值为2。

粒子物理学标准模型描述了基本粒子和它们之间的相互作用。更多关于标准模型的信息，可阅读《这个理论是科学史上的奇迹》。

1928年，物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）结合量子力学和狭义相对论提出了一个著名方程——狄拉克方程，准确描述了电子和所有其他具有相同自旋量子数的粒子的运动和电磁相互作用。根据狄拉克方程的预测，g因子等于2——与当时的测量结果一致。

然而到了上世纪40年代，随着实验变得更加精确，物理学家开始意识到电子具有一部分狄拉克方程所未能涵盖的额外磁性，这种额外的磁性被表述为“g-2”，被称为反常磁矩。当时的物理学家不知道这种反常磁矩是如何产生的。

很快，物理学家朱利安·施温格（Julian Schwinger）在1947年就用电子可以发射再重新吸收一个虚光子的说法解释了这一异常现象。虚光子的短暂出现能使电子的内部磁性略微提高0.1%——这个足以弥补理论预测值与实验测量结果的差异。然而，问题在于光子并不是导致这种轻微差异的唯一原因。

物理学家后来发现，扰乱了电子的磁性的，实则是由各种虚粒子构成的网络，反常磁矩是那些虚粒子对电子产生的综合影响，标准模型中的每个粒子和每种力都参与了其中，只是有的更容易发生，或者更强，因此对差异的“贡献”更大。

用于描述这些虚粒子的理论模型已经非常成功地描述了电子的磁性。对于电子的g-2，理论计算结果与实验值非常接近。这样的情况让物理学家认为，他们已经成功地找到了导致反常磁矩的原因。然而，μ子的g-2实验却告诉我们，事实似乎并非如此。

二

当宇宙射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。和电子一样，μ子的行为也像是拥有一个微小的内部磁铁，它的质量是电子的207倍，对新型的虚粒子特别敏感。早期对μ子的反常磁矩进行的测量结果与理论预测是一致的。这使得物理学家曾相信，影响了电子磁性的虚粒子也对μ子的磁性造成了相同的影响。

但到了2001年，布鲁克海文国家实验室的μ子g-2实验出现了奇怪的现象。当时，实验的目的在于进一步提高测量结果的精确度，并观察四种基本力之一的弱力对反常磁矩的影响。虽然实验结果成功地将误差缩小到百万分之0.5，但同时发现在新的测量值和理论值之间存在一个小于百万分之三的微小差异，而物理学家无法用标准模型中的任何东西来解释这种差异。

如此微小的差异，是微不足道的巧合，还是一个能带领我们通向新物理学的重要线索？费米实验室的μ子g-2实验实际上是布鲁克海文国家实验室的μ子g-2实验的续作，目的是对这种差异进行重新检验。

4月7日，费米实验室的研究人员公布了μ子g-2实验的结果，宣告他们以前所未有的精确度，得到了与布鲁克海文国家实验室的μ子g-2实验完全一致的结果。这个迄今为止最精确的测量结果，证实了标准模型并不足以解释所发生的一切，它无法完美地预测μ子的行为。

三

在新的μ子g-2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。

 图片素材来源：g-2实验

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。

图片素材来源：Nature

接着，自旋指向相同方向的μ子束被送入一个直径约为15米的超导磁存储环中，在那里，μ子以接近光速的速度在磁铁中循环数千次。在循环时，μ子的自旋轴会以一种与它们的磁矩有关的方式发生倾斜，如果存在反常磁矩，那么μ子在自旋的过程中就会出现轻微的摆动。

图片素材来源：g-2实验/quantamagazine

每循环一圈，μ子的自旋轴就会改变12°。在存储环循环多次之后，μ子会自发衰变成一个电子和两个中微子，而μ子衰变所产生的电子，会倾向于沿着μ子自旋所指的方向发射。通过利用存储环上的探测器记录下这些电子的数量和能量，就能计算出μ子自旋的倾斜程度；而通过将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。

新的μ子g-2实验于4月7日所公布的最新测量结果与布鲁克海文所测结果一致，两次实验对反常磁矩的平均测量值为0.00116592061(41)；与之相比，根据标准模型预测的反常磁矩为0.00116591810(43)。这些结果的显著性差异为4.2σ，它意味着这样的结果是有统计波动导致的几率约为四万分之一。虽然这略低于科学家在宣布一项新发现时所要求的5σ，但已经是十分令人振奋和信服的新物理学证据。

 图片素材来源：B.ABI ET AL/PRL 2021

新的μ子g-2实验于2018年首次运行，在运行的第一年就收集到了比之前所有μ子的g因子实验所收集的数据总和都多的数据。全世界各地的科学家共同完成了首次运行中所产生的80多亿μ子运动的分析。而这个数据量仅是该实验最终将收集到的不到6%的数据。

现在，研究人员正在分析实验的第二和第三次运行的数据，第四次运行正在进行中，第五次运行计划中。相信当科学家收集到所有五次实验数据后，将会揭示出更多令人惊讶的信息。这些对μ子磁性的测量是一项了不起的成就，它或将指导我们在未来几年寻找超越标准模型的物理学。

4月7日，μ子g-2实验的联合发言人Graziano Venanzoni说：“今天是非同寻常的一天，不仅是我们，整个国际物理界都在期待着。大量的功劳都归于我们年轻的研究人员，他们的才华、想法和热情，让我们取得了令人难以置信的结果。”

参考来源：

1. https://www.symmetrymagazine.org/article/the-mystery-of-the-muons-magnetism?language=en

2. https://www.symmetrymagazine.org/article/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics

3. https://phys.org/news/2021-04-strength-muon-magnetic-field-aligns.html

4. https://phys.org/news/2021-04-field-argonne-scientists-bolster-evidence.html

5. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801

6. https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.103.042208

7. https://www.quantamagazine.org

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：二宗主