困扰物理界20年！费米实验室将于4月重启μ子磁性测量实验，有望发现新粒子

经过20年的等待，美国费米国家加速器实验室（Fermilab）将对μ子的磁矩进行高精度测量，以重新检验理论和早期在布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)进行的实验结果之间的细微差异，他们的新实验被称为“μ子g-2”合作项目（Muon g–2）。

物理学家们对此寄予厚望，他们计划于4月7日公布的对介子磁性的最新测量结果，将验证早期的发现，而新的发现可能会导致新粒子的发现。

关于μ子磁矩最初的结果是在2001年公布的，然后在2006年最终确定，发现介子的磁矩——它产生的磁场的量度——略大于理论预测。这在物理学家中引起了轰动和争议。如果这些结果最终得到证实——在下周的声明中，或者在未来的实验中——它们可能揭示新的基本粒子的存在，并颠覆基础物理学。

“μ子g-2”通过在直径为15米的圆内移动粒子来测量介子的磁矩。一个强大的磁铁使介子保持在它们的圆形轨道上，同时使它们的南北磁轴旋转。粒子的磁矩越强，轴的旋转速度就越快。

量子物理学此前曾初步预测，基本粒子——如介子和电子，其磁矩正好等于2(以依赖于粒子的测量单位计算)。但更全面的计算揭示了这个完美值的偏差，这是由于真空从来都不是真正的真空。介子周围的空间里充斥着各种“虚粒子”——在真空中不断出现和消失的实际粒子的短暂版本——它们改变了介子的磁场。

存在的粒子种类越多，它们的虚拟版本对磁矩的影响就越大。这意味着，高精度的测量可以间接地揭示之前未知粒子存在的证据。

布鲁克海文国家实验室的物理学家们此前测得的结果略大于理论值，差值为0.0023318319。这一结果出炉的同时，该领域似乎正处于发现的爆发式时期。当时，大型强子对撞机(LHC)正在瑞士和法国边境建设，理论家们相信它会发现大量新的粒子。

但是，除了2012年历史性地发现希格斯玻色子外，大型强子对撞机还没有发现任何其他基本粒子。此外，加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的理论物理学家迈克尔·佩斯金(Michael Peskin)说，它的数据已经排除了许多可能导致介子磁矩膨胀的虚拟粒子的潜在候选者。这意味着当初的实验精度不够，达不到足够的置信度。

尽管g-2的最佳实验测量在15年里没有改变，这个理论却在发展。去年，由El-Khadra共同主持的一个大型合作项目召集了几个研究小组——每个小组专门研究一种类型的虚拟粒子。

同样是在去年，一个名为布达佩斯-马赛-伍珀塔尔（the Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration）的合作小组发布了一份预印本，表明g-2的理论值接近实验值3。该团队专注于该理论中一个特别顽固的不确定性来源，即胶子（gluons）的虚拟版本，胶子是传输强核力的粒子。这一研究结果“引起了很大的轰动”，并引发了激烈的辩论。

而美国费米国家加速器实验室（Fermilab）最新的高精度测量计划，或有望确定这一差异，将有助于发现新的基本粒子，甚至颠覆基础物理理论。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源：https://www.symmetrymagazine.org/article/the-mystery-of-the-muons-magnetis

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00833-2