μ介子实验大搬家 有望颠覆粒子物理学标准模型

研究人员为储存环设定了旅行路线。

照片来源:布鲁克海文国家实验室

要去一个新地方，全球定位系统导航器会告诉你怎么去。如果你问它如何从纽约的厄普顿到达芝加哥的西郊，它会告诉你沿着80号州际公路向西走14个小时，而不是花6周时间乘驳船沿着东海岸向南航行，绕过佛罗里达，穿过墨西哥湾，沿着密西西比河逆流而上。

然而，当一大块实验设备从美国布鲁克海文国家实验室出发，前往费米实验室的新家时，5000多公里的曲折旅程将是一个挑战。这个装置是粒子加速器的储存环，宽15米，重14吨。它比瓷茶具更易碎，这就是为什么不是所有的路线都可以走。

这个储存环是名为“μg-2”实验的一部分。该实验于1999年至2001年在布鲁克海文国家实验室进行。自20世纪40年代以来，物理学家发现g的值并不完全等于2，但是当精确测量μ子的旋磁比时，误差约为1%。因此，G与理论值g-2之间的差异被称为“异常磁矩”。根据现代物理学的解释，异常磁矩的出现与真空中“虚拟粒子”和μ子的相互作用有关。

物理学家测量了大约1亿μ子。然而，当布鲁克海文国家实验室测量g-2的精确度达到百万分之0.7时，结果与粒子物理的标准模型不一致——这意味着在虚拟粒子和μ子之间存在一种未被发现的相互作用。

"我们发现了一个非常有趣和有吸引力的新物理现象."华盛顿大学的物理学家、μg-2实验的联合发言人David Hertzog说。然而，要最终确定，结果需要达到5西格玛的标准偏差。“μ介子g-2”实验的最大标准差为3.6σ。这是诺贝尔奖级别的发现，还是仅仅是一个统计波动？“我认为试图解决这个问题是一项科学义务。你不想把问题留在那里。”赫佐格说。

为了更精确地重复实验，研究人员需要更多的μ子，而布鲁克海文国家实验室加速器无法提供。与此同时，费米实验室碰巧在寻找一个实验项目，在旗舰加速器太拉电子伏特加速器于2011年关闭后，利用实验室产生的高强度粒子束。结果，两个实验室的科学家策划了一个计划，将实验从美国东海岸转移到中西部地区。

钢支架之类的零件很容易包装，并且需要14小时的车程才能到达新家。其他过时的组件可能需要重建。然而，该设备不可或缺的一部分:储存环的低温恒温器需要从纽约的布鲁克海文国家实验室运输到伊利诺伊州的费米实验室，距离约5100公里。低温恒温器储存易碎的超导线圈，可以在实验中产生均匀的磁场。"我们想测量真空中的不均匀性，而不是磁体的不均匀性."“所以我们需要一个完美的磁铁，”费米实验室物理学家布伦丹·凯西说，他正在为“μ介子g-2”实验研究新的探测器。

“没有其他磁铁能像这样。”参与“μg-2”实验的布鲁克海文国家实验室物理学家比尔·莫尔斯说。在费米实验室建造另一个类似的设施可能要花费2500多万美元。另一方面，移动它可能只需要300万美元。问题是显而易见的:他们不是拆除低温恒温器及其脆弱的线圈，而是将储存环运送到美国的一半领土上。

Muon g-2项目的负责人克里斯·波利说，“当我们几年前第一次讨论这个问题时，我们考虑用直升机把它运送到一艘等待的驳船上”。但是他们找不到穿过伊利诺伊州郊区的路线，那里的居民很少——这是必要的安全预防措施，以防储物环意外掉到地上。因此，科学家向重载运输公司埃莫特国际寻求帮助。

经过几个月的可行性研究，项目组决定了一个运输储存环的计划:用卡车关闭高速公路，在夜间以每小时10公里的速度将设备运送到渡口。据媒体报道，整个运输工作于今年6月初开始，储存环要到7月底才能到达费米实验室。

超导线圈不能处理超过2mm的偏转，因此在整个运输过程中，低温恒温器将由一个40吨的运输夹具固定，该夹具将位于储存环内，并由8根辐条固定在类似自行车轮胎的位置。"我们从未承担过如此微妙的项目。"埃米特国际公司执行副总裁特里·埃米特说。

尽管圣劳伦斯航道和五大湖可以提供到芝加哥的更短的通道，项目小组还是决定沿着密西西比河和伊利诺伊河前往拉蒙特。从那里，一辆卡车将完成最后的接力赛。南线将节省30万美元，气候更适宜。"我们会咬指甲几个星期。"赫佐格说。

一旦储存环到达费米实验室，物理学家将重新组装实验，并在明年增加新的探测器。然后，研究人员将把它装满液氦，测试线圈，最后测试他们辛苦的绕道是否值得。(张张)

《中国科学新闻》(第三版国际，2013年6月20日)