布鲁克海文国家实验室的陈伶俐·巴布 信用:沙盒工作室，史蒂夫·尚阿布鲁奇 现代物理学充满了你在经典侦探小说中会发现的那种扭曲的、拼图中的拼图情节:物理学家和侦探都必须小心地从不相关的信息中分离出重要的线索
物理学家和侦探有时必须超越显而易见的解释，以充分揭示正在发生的事情
对于物理学家和侦探来说，重大发现可能取决于夏洛克·福尔摩斯级别的推断，这些推断基于容易被忽视的证据
例证:美国能源部费米国家加速器实验室目前正在进行的μg-2实验
目前的μ介子g-2(发音为“g减2”)实验实际上是一个续集，一个旨在重新检查理论和布鲁克海文国家实验室早期实验结果之间微小差异的实验，早期实验也被称为μ介子g-2
这种差异可能是新物理学正在发展的迹象
科学家们想知道这种测量是否成立……或者这只是一种转移注意力的方式
费米实验室μ介子g-2合作已经宣布将在4月7日公布其第一个结果
在那之前，让我们解开案件的真相
神秘的磁矩 所有旋转的带电物体——包括μ子和它们更广为人知的兄弟粒子——电子——都会产生自己的磁场
一个粒子的磁场强度被称为它的“磁矩”或“g因子”
”(“g-2”的“g”部分就是指这个
) 为了理解“g-2”的“-2”部分，我们必须回到过去
20世纪20年代的光谱学实验(在1936年发现μ子之前)揭示了电子具有固有的自旋和磁矩
实验发现磁矩g值为2
至于为什么会有这样的价值——这个谜很快就被快速发展的新量子力学领域解开了
信用:沙盒工作室，史蒂夫·尚阿布鲁奇 1928年，物理学家保罗·狄拉克在卢埃林·托马斯和其他人的工作基础上，提出了一个现在著名的方程，该方程结合了量子力学和特殊相对论，精确地描述了电子和所有其他具有相同自旋量子数的粒子的运动和电磁相互作用
狄拉克方程将自旋作为理论的一个基本部分，预测g应该等于2，这正是科学家当时测量的结果
但是随着实验在20世纪40年代变得更加精确，新的证据浮出水面，重新打开了这个案子，并带来了关于量子领域令人惊讶的新见解
粒子的阴谋 事实证明，电子有一点额外的磁性，这是狄拉克方程无法解释的
这种额外的磁性，在数学上表示为“g-2”(或g与狄拉克的预测不同的量)，被称为“异常磁矩”
“有一段时间，科学家们不知道是什么导致了它
如果这是一个谋杀之谜，异常磁矩就像是用来刺伤受害者的刀上的一个未知来源的额外指纹——一个小而可疑的细节，值得进一步调查，并可能揭示整个故事的一个全新层面
物理学家朱利安·施温格在1947年解释了这种异常现象，他的理论是电子可以发射然后再吸收一个“虚拟光子”
“短暂的相互作用会使电子的内部磁性略微增强十分之一，这是使预测值与实验证据一致所需要的量
但是光子不是唯一的帮凶
随着时间的推移，研究人员发现有一个广泛的“虚拟粒子”网络不断地从量子真空中出现和消失
这就是干扰电子小旋转磁铁的原因
反常磁矩代表了那些短暂的量子共谋者对电子的各种可能影响的同时综合影响
一些相互作用更有可能发生，或者比其他更强烈地感受到，因此它们做出了更大的贡献
但是标准模型中的每个粒子和力都参与其中
描述这些虚拟相互作用的理论模型在描述电子的磁性方面相当成功
对于电子的g-2，理论计算现在与实验值非常接近，这就像用一根小于一根头发宽度的a来测量地球的周长
信用:沙盒工作室，史蒂夫·尚阿布鲁奇 所有证据都指向由已知粒子造成的量子伤害，这些粒子会导致任何磁异常
结案了，对吧？ 不完全地
现在是时候听听μ子的故事了
没有一根头发是不合适的——或者有吗？ 20世纪50年代哥伦比亚大学和20世纪60年代和70年代欧洲粒子物理研究所对μ介子反常磁矩的早期测量与理论预测一致
测量的不确定性从1961年的2%下降到0
1979年为0007%
看起来，影响电子g-2的粒子阴谋似乎也是造成μ子磁矩的原因
但是在2001年，布鲁克海文μ介子g-2实验发现了一些奇怪的东西
该实验旨在提高欧洲粒子物理研究所测量的精度，并观察弱力对异常的贡献
它成功地将误差线缩小到百万分之五十
但它也显示了新测量值和理论值之间的微小差异——不到百万分之三
这一次，理论家们想不出一种方法来重新计算他们的模型来解释它
标准模型中没有任何东西可以解释这种差异
这是一个物理学之谜，相当于在犯罪现场发现的一根头发，其脱氧核糖核酸似乎与案件中的任何人都不匹配
问题是——现在仍然是——头发的出现是巧合，还是一条重要的线索
在美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会以及意大利、英国、欧盟、中国、韩国和德国的几个国际机构的支持下，物理学家们现在正在费米实验室重新检查这根“头发”
在新的μ介子g-2实验中，一束μ介子——它们的自旋都指向同一个方向——被射入一种叫做储存环的加速器
环的强磁场使μ子保持在一个清晰的圆形路径上
如果g正好是2，那么μ子的自旋将完全跟随它们的动量
但是，由于反常磁矩，μ子在旋转时会有轻微的额外摆动
当一个μ子衰变为一个电子和两个中微子时，电子倾向于向μ子自旋指向的方向射出
环内侧的探测器接收到一部分由经历抖动的μ介子抛出的电子
记录他们随时间探测到的电子的数量和能量将告诉研究人员μ介子自旋旋转了多少
信用:沙盒工作室，史蒂夫·尚阿布鲁奇 使用布鲁克海文实验中相同的磁体，加上更好的仪器，加上费米实验室加速器复合体产生的更强的μ子束，研究人员正在收集21倍的数据，以实现4倍的精度
实验可以证实这种差异的存在；它可能根本没有发现任何差异，指出布鲁克海文结果的一个问题；或者它可能在两者之间找到一些东西，让这个案子悬而未决
寻找量子冥界 有理由相信标准模型没有告诉我们的事情正在发生
标准模型是对亚原子世界中几乎所有事情的一个非常一致的解释
但是物理学中仍有许多未解之谜没有解决
例如，暗物质约占宇宙的27%
然而，科学家们仍然不知道它是由什么组成的
已知的粒子似乎没有一个符合要求
标准模型也不能解释希格斯玻色子的质量，它小得惊人
如果费米实验室μ介子g-2实验确定标准模型之外的东西——例如未知粒子——正在显著扰乱μ介子的磁矩，它可能会为研究人员指明正确的方向，以关闭这些打开的文件中的另一个
一个已证实的差异实际上不会提供关于是什么粒子或力使其存在为人所知的脱氧核糖核酸水平的细节，但它将有助于缩小质量和相互作用强度的范围，在这些范围内，未来的实验最有可能发现新的东西
即使差异消失了，这些数据对于决定去哪里寻找仍然是有用的
可能是隐藏在标准模型之外的一个模糊的量子图形太隐蔽了，以至于当前的技术无法检测到
但如果不是这样，物理学家会想尽一切办法，没有一点证据不被分析，直到他们破案
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