经过二十年的等待，其中包括漫长的资金争取以及跨越半个大陆的搬迁，一项关于缪子（一种类似于电子但更重且不稳定的粒子）的重启实验即将公布其结果。物理学家们对这项计划于 4 月 7 日发布的最新的缪子磁性测量结果寄予厚望，希望它能证实早期的发现，从而可能导致新粒子的发现。
缪子 g – 2 实验，现位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（费米实验室），最初于 1997 年至 2001 年在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室运行。2001 年首次宣布、并于 2006 年最终确定的原始结果发现，缪子的磁矩（衡量其产生的磁场的量）略大于理论预测。这在物理学家中引起了轰动， 并引发了争议。如果这些结果最终得到证实——在下周的公告中，或通过未来的实验——它们可能会揭示新基本粒子的存在，并颠覆基础物理学。“每个人都很焦急，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论物理学家艾达·埃尔-卡德拉说。
磁性测量
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缪子 g – 2 通过将粒子在直径 15 米的圆圈中移动来测量缪子的磁矩。强大的磁铁使缪子保持在其圆形轨道上，同时使其磁性南北轴旋转。粒子的磁矩越强，轴旋转得越快。“我们测量的是缪子在磁场中旋转的速度，就像一个 [旋转的] 陀螺仪进动一样，”马萨诸塞州波士顿大学的物理学家李·罗伯茨说，他自 1989 年以来一直从事缪子 g – 2 及其前身的研究。
原始实验发现的与理论预期的偏差很小，但足以引起理论家们的关注。初步近似来看，量子物理学预测，缪子和电子等基本粒子的磁矩正好等于 2（单位取决于粒子）。但是，更完整的计算揭示了与这个完美值的偏差，这是由于空的空间永远不是真正空的。缪子周围的空间充满了各种“虚粒子”——真实粒子的短暂版本，它们不断地从真空中出现和消失——这些虚粒子会改变缪子的磁场。
存在的粒子类型越多，它们的虚粒子版本对磁矩的影响就越大。这意味着高精度测量可以揭示先前未知粒子存在的间接证据。“基本上，我们测量的是一个数字，它是自然界中一切事物的总和，”罗伯茨说。
由此产生的磁矩仅与 2 略有不同，而这种微小的差异通常用 g – 2 表示。在布鲁克海文，物理学家发现 g – 2 为 0.0023318319。当时，这略大于理论学家对已知虚粒子贡献的最佳估计值。
测量的精度不足以自信地声称这种差异是真实的，但它足以引起兴奋。这些结果也出现在该领域似乎准备迎来爆炸性发现时期的时候。大型强子对撞机 (LHC) 当时正在瑞士-法国边境建造，理论家们相信它将发现大量新粒子。但是，除了 2012 年历史性的希格斯玻色子发现之外，LHC 没有发现任何其他基本粒子。此外，其数据排除了许多可能使缪子磁矩膨胀的虚粒子的潜在候选者，加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室的理论物理学家迈克尔·佩斯金说。
但佩斯金说，LHC 并没有排除所有可能解释这种差异的因素。德国德累斯顿大学的理论物理学家多米尼克·斯托金格说，其中之一是希格斯玻色子不止一种，而是至少两种。
不断发展的理论
在布鲁克海文实验时，缪子磁矩的实验值必须与理论预测进行比较，而理论预测本身就带有相对较大的不确定性。但是，尽管 g – 2 的最佳实验测量值在 15 年内没有变化，但理论已经发展。去年，由埃尔-卡德拉共同主持的一个大型合作项目汇集了多个研究团队——每个团队都专注于一种类型的虚粒子——并发布了基本常数的“共识”值。理论值和实验值之间的差异没有改变。
同样在去年，一个名为布达佩斯-马赛-伍珀塔尔合作组的团队发布了一份预印本，该预印本提出了一个更接近实验值的 g – 2 理论值。该团队专注于理论中一个特别顽固的不确定性来源，该来源来自胶子的虚粒子版本，胶子是传递强核力的粒子。如果他们的结果是正确的，那么理论与实验之间的差距可能根本不存在。埃尔-卡德拉说，目前正在接受出版审查的初步研究结果“引起了巨大轰动”，此后一直受到激烈辩论。
4 月 7 日公布的结果可能还不能完全解决这个问题。由于设备升级，该团队最终预计与布鲁克海文实验相比，可以将 g – 2 的精度提高四倍。但到目前为止，他们仅分析了自 2017 年以来收集的一年的数据——不足以使误差范围比布鲁克海文实验的误差范围更窄。尽管如此，罗伯茨说，如果测量结果与原始结果非常吻合，那么对该结果的信心将会提高。
如果费米实验室最终证实了布鲁克海文的意外发现，科学界可能会要求进一步的独立确认。这可能来自日本质子加速器研究中心 (J-PARC) 在东海附近开发的一种实验技术，该技术将以一种截然不同的方式测量缪子的磁矩。
补充报道：伊丽莎白·吉布尼。
本文经许可转载，最初于 2021 年 3 月 30 日首次发表。