μ介子让新物理学触手可及

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介子g-2 实验将通过测量介子在磁场中如何摆动来寻找标准模型的偏差。
Credit: Fermilab

在对新物理学的研究中，基于大量粒子加速器内部的高能量的碰撞实验往往空手而归。因此物理学家转而把希望寄托于更精确的方法：更少的碰撞和抓取及更多的对摆动方式的观察。下个月，美国的研究者将开启这样一项实验。该实验将进行一次对μ介子——电子的重型表兄弟——在磁场中的行为的超精确测量。而且这或许可以提供全新粒子存在的证据。

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Credit: Nature doi:10.1038/544145a

位于伊利诺伊州巴达维亚的费米实验室的该项新实验所追寻的粒子泄露了部分围绕于全部形式的物质并与之互动的虚拟“汤”。量子理论表示，存在时间短的虚拟粒子会不断地“昙花一现”。物理学家已经解释了已知虚拟粒子的影响，比如光子和夸克。但虚拟“汤”或许仍然包含神秘的未探明的成分。而介子也许对它们尤其敏感。

此项新的μ介子g−2 实验将测量这种无比精确度敏感度。通过该测量，将再分析困扰了物理学家十多年的μ介子异常。如果该实验证实这种异常，那么最接近的解释就是，这是被不存在于现有物理学剧本——标准模型中的虚拟粒子引发的。

德国德雷斯顿工业大学理论学家、μ介子g−2实验合作成员多米尼克·斯托肯格表示：“这会是超越标准模型的物理学以及全新粒子的首个直接证据。”

物理学家急切渴望一种能接替标准模型的理论，一种已经非常成功的理论，但还不完整，因为未能解释如暗物质的存在等诸多现象。 位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机进行了诸多实验，尽管表现超出预期，并进行了针对超越标准模型的物理对数百种搜索，但仍未揭示出一个具体的漏洞。此次μ介子异常是物理学家手中仅有的一些线索之一。

测量μ介子磁矩—— 与粒子的固有磁性有关的基本属性——或许掌握了关键，因为它是通过与虚拟粒子的交互来调整的。上一次的测量是在15年前于纽约布鲁克海文实验室进行的，那时μ介子磁矩便已超出理论预测。物理学家认为，与未知粒子，或被称为超对称性理论所设想的粒子的相互作用，或许导致了这种异常现象。

其他可能的解释也许是统计上的巧合，或理论学家标准模型结合已知粒子的复杂效应计算中的缺陷。但斯托肯格表示这不太可能，新的计算方法和实验交叉检查使得理论方面比15年前更加健全。

马萨诸塞州波士顿大学物理学家、μ介子g−2实验联合领导人李·罗伯茨表示：“有了这个来自布鲁克海文的诱人成果，你真的不得不做一次更好的实验”。费米实验室的设备将使用布鲁克海文实验中使用的μ介子数量的20倍来将不确定度缩小到4倍。罗伯茨表示：“如果误差小得多，那么我们都认为肯定会显示出一些在其他地方没有被观察到的粒子。”

为了探测这些μ介子，费米实验室的物理学家将把粒子注入一个大约14米的圆环磁场中。每个粒子具有称为自旋的磁场特性，类似于地球绕自身地轴旋转。随着μ介子以接近光速的方式绕环，它们的旋转轴将在磁场中摇摆，就像不稳定旋转的陀螺。将这种进动速率与磁场的测量结合赋予了粒子磁矩。

斯托肯格表示，自从布鲁克海文实验室的结果开始，一些对这种μ介子异常的流行的解释——包括假想暗光子的影响 —— 似乎被其他实验排除了。“但如果你放眼超越标准模型的物理场景的全部范围，还是有很多的可能性。”

虽然积极的结果将不太会显示出新的粒子是什么，它仍将为其他实验提供如何将其确认的线索。斯托肯格表示，如果保持相对较大的布鲁克海文差异，那么结果只能来自相对较轻的粒子，如大型强子对撞机的探测范围，即使它们很少相互作用，需要多年才能显现。

事实上，基于先前发现的愿望是如此强烈，为了避免可能的偏见，费米实验室的实验人员将“盲”处理他们将要得到的结果，并且将两个测量结合使用以产生磁矩。只有当显示偏移，任何人才能获知他们是否有新的粒子隐藏在量子“汤”中的证据。罗伯茨表示：“在那之前没人知道答案，那会是一个一颗赛艇的时刻。”

本文译自 Scientific American，由 HW 编辑发布。