作者西弥斯·鲍考克和马克·兰卡斯特，《对话》 μ子实验
信用:赖达尔·哈恩/费米实验室 七年前，一个巨大的磁铁被运送到3200多英里(5150公里)的陆地和海洋，希望研究一种叫做μ子的亚原子粒子
μ子与电子密切相关，电子围绕每个原子运行，构成物质的组成部分
电子和μ子都有我们目前最好的描述亚原子量子世界的科学理论精确预测的性质，这是粒子物理的标准模型
整整一代科学家致力于测量这些特性的细节
2001年，一项实验暗示，μ子的一个性质并不完全像标准模型预测的那样，但需要新的研究来证实
物理学家将部分实验转移到费米实验室的新加速器上，并开始获取更多数据
一项新的测量已经证实了最初的结果
这意味着新的粒子或力可能存在，但在标准模型中没有考虑到
如果是这样的话，物理定律将不得不被修改，没有人知道这会导致什么
这个最新的结果来自于一个国际合作，我们都是其中的一部分
我们的团队一直在使用粒子加速器来测量一种叫做μ子磁矩的属性
当暴露在磁场中时，每个μ子的行为就像一个微小的条形磁铁，这种效应被称为磁矩
μ子也有一个称为“自旋”的内在属性，自旋和μ子磁矩之间的关系被称为g因子
电子和μ子的“g”被预测为2，所以g减2(g-2)应该被测量为零
这是我们在费米实验室测试的
在这些测试中，科学家使用了加速器，与欧洲粒子物理研究所在LHC使用的技术相同
费米实验室加速器产生非常大量的μ子，并且非常精确地测量它们如何与磁场相互作用
移动介子环
信用:赖达尔·哈恩/费米实验室 μ介子的行为受到“虚拟粒子”的影响，这些“虚拟粒子”从真空中弹出
它们存在的时间很短，但足以影响μ子与磁场的相互作用，并改变测得的磁矩，尽管改变的幅度很小
标准模型非常精确地预测了这种效应，精确到百万分之一
只要我们知道什么粒子在真空中冒泡进出，实验和理论就应该匹配
但是，如果实验和理论不匹配，我们对虚拟粒子汤的理解可能是不完整的
新粒子 新粒子存在的可能性不是无意义的猜测
这样的粒子可能有助于解释物理学中的几个大问题
例如，为什么宇宙中有如此多的暗物质——导致星系旋转得比我们预期的要快——为什么几乎所有在大爆炸中产生的反物质都消失了？ 迄今为止的问题是，没有人见过这些提出的新粒子
人们希望欧洲粒子物理研究所的LHC能在高能质子的碰撞中产生它们，但是它们还没有被观测到
新的测量方法使用了与本世纪初在纽约布鲁克海文国家实验室进行的实验相同的技术，该实验是在欧洲粒子物理研究所进行了一系列测量之后进行的
布鲁克海文实验测量了与标准模型的差异，标准模型有5000分之一的概率是统计上的侥幸
这和连续扔12次硬币的概率差不多，都是正面朝上
预测和结果
荣誉:赖安·波斯特尔，费米实验室/μ子g-2合作 这很诱人，但远远低于发现的门槛，而发现的门槛通常要求高于1:1
700万——或者说连续21次投币
为了确定新物理学是否正在发挥作用，科学家们必须将实验的灵敏度提高四倍
为了进行改进的测量，实验的核心磁体必须在2013年从长岛沿着海洋和道路移动3200英里到芝加哥郊外的费米实验室，那里的加速器可以产生大量的μ介子
一旦就位，一个新的实验就在磁体周围建立起来，使用最先进的探测器和设备
μ介子g-2实验始于2017年，由布鲁克海文实验的老手和新一代物理学家合作完成
费米实验室第一年数据的新结果与布鲁克海文实验的测量结果一致
综合结果加强了实验测量和标准模型之间不一致的情况
现在的概率大约是四万分之一的差异是侥幸——仍然低于黄金标准的发现门槛
LHC 有趣的是，欧洲核子研究中心(Cern)的LHCb实验最近的一项观察也发现了与标准模型的可能偏差
令人兴奋的是，这也是指μ子的性质
这一次是重粒子产生μ子和电子的方式不同
在标准模型中，这两个比率预计是相同的，但是实验测量发现它们是不同的
综上所述，LHCb和费米实验室的结果加强了我们观察到的标准模型预测失败的第一个证据，以及自然界中有新的粒子或力有待发现的情况
为了最终确认，这需要更多来自费米实验室μ子实验和欧洲粒子物理研究所LHCb实验的数据
未来几年将会有结果
费米实验室的数据已经是最近这个正在分析的结果中使用的数据的四倍，Cern已经开始收集更多的数据，新一代μ子实验正在建设中
这是一个激动人心的物理学时代
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