科学家将重新测量μ介子磁性

研究人员重新测量了μ子的磁性。资料来源:FERMILAB

物理学家计划探索新物理学的“老问题”。伊利诺伊州费米国家加速器实验室的一个研究小组将开始精确测量μ子的磁性。先前的实验表明，μ子的磁性比粒子物理标准模型预测的稍大。

这将为研究人员提供他们几十年来一直想要的东西:标准模型之外的物理证据，这有望开启物理学的新篇章。

由夸克和反夸克组成的带负电荷的μ子是一种强子，受到强相互作用的影响。它的寿命是2.20微秒，之后由于弱相互作用力而衰减。

"物理学现在可以从自然中得到‘一点爱’。"该实验的联合发言人、西雅图华盛顿大学的物理学家David Hertzog说。作为世界上最大的粒子加速器，位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC)未能发现标准模型以外的粒子，物理学家越来越感到这种阻碍。

科学家希望通过这个名为“μg-2”的实验获得预期的结果。μ介子g-2可以提供一些间接的证据，证明这些粒子太重，LHC无法制造。

μ子是电子中较重且不稳定的“表亲”。因为它带电荷，所以会在磁场中旋转。每个μ子都会像微型条形磁铁一样被磁化。将μ子置于垂直于其磁化方向的磁场中，它的磁极会像指南针一样旋转或进动。

乍一看，理论预测在磁场中，μ子的磁性应该以与粒子本身相同的速度螺旋上升，所以如果它开始向飞行方向极化，它将总是被锁定在轨道上。然而，由于量子不确定性，μ子将在旋转过程中不断释放和吸收其他粒子。这些粒子在突然造访和离开时产生的烟雾增加了μ子的磁性，从而使它的进动速度比自己的略快。

由于μ子可以释放和重吸收任何粒子，它们的磁性将识别所有可能的粒子——甚至是对LHC来说太重而无法产生的新粒子。伊利诺伊大学的理论家Aida El-Khadra说，其他带电粒子也可以对不可见粒子进行采样。然而，她补充道，μ子的亮点足够轻，可以活得又长又重。

从1997年到2001年，布鲁克海文国家实验室的g-2团队通过将数千个粒子投射到夹在超导磁体之间的直径为45米的环形真空室中，测量了μ子的磁性。

在几百微秒内，带正电的μ子衰变为正电子，这些粒子通常向μ子极化方向喷射。物理学家可以通过在环的边缘用探测器探测正电子来观察介子的进动。

2001年，g-2小组首次报告说，它的磁性比标准模型预测的稍大。后来，理论家们在标准模型预测中发现了一个简单的数学错误，所以这个结果很快被淹没了。当团队在2004年再次测量时，这种差异再次出现。然而，此时理论家已经改进了标准模型计算。

法国巴黎南部大学的理论家米歇尔·达维尔说，他们一直试图解释μ子释放和重吸收强子粒子的过程。他说，通过使用正负电子对撞机的数据，理论家们已经设法减少了最大的不确定性。

目前，物理学家已经测量出这种差异信号的强度在3.5西格玛以内，低于发现所需的所谓5西格玛，但足以吸引研究人员再次尝试。

2013年，g-2团队搬到了费米实验室。然后，他们将磁场的均匀性提高了三倍，以产生更纯的μ子束。波士顿大学的g-2物理学家李·罗伯茨说:“这是一个全新的实验，一切进展顺利。”

罗伯茨说，多年来，该小组的目标是收集比他们在布鲁克海文实验室期间多21倍的数据。Hertzog希望获得足够的数据，以在明年获得测量结果，这可能会使差异超过5 sigma。

μ子最终会成为新物理学的大门吗？乔安妮·休伊特，加利福尼亚门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的理论家，犹豫了。"在我的物理职业生涯中，每一个偏离标准模型的3西格玛都消失了."她说。“我会谨慎乐观。”(唐毅宸编译)

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