費米實驗室首次觀測到μ子異常磁矩的實驗結(jié)果顯示，基本粒子μ子的行為與標準模型的理論預(yù)言不一致。這一結(jié)果與美國布魯克海文國家實驗室早前的實驗結(jié)果一致。兩個實驗結(jié)合起來為新物理的存在提供了有力證據(jù)，表明世界上可能存在新的未知粒子或力。
介子異常磁矩儲存環(huán)的頂視圖。在環(huán)內(nèi)以接近光速順時針旋轉(zhuǎn)約 500 次（64 微秒）后，介子將衰變。介子異常磁矩實驗將通過測量介子衰變產(chǎn)物（電子）來獲得介子的磁性。圖片來源：費米實驗室
經(jīng)過漫長的等待，美國能源部費米國家實驗室的μ子反常磁矩實驗首次結(jié)果公布：基本粒子μ子的行為與標準模型的理論預(yù)測不一致。這是迄今為止最精確的實驗結(jié)果，也是里程碑式的突破。這一結(jié)果為μ子物理領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新物理提供了有力證據(jù)。μ子可以作為新物理的探針留學(xué)之路，探測未知的相互作用。
意大利核物理研究所物理學(xué)家、μ子反常磁矩實驗聯(lián)合發(fā)言人格拉齊亞諾·維南佐尼表示：“今天是一個偉大的日子，不僅我們期待著這一天，整個國際物理學(xué)界都期待著這一天的到來。年輕人在這次實驗中發(fā)揮了很大的作用，正是他們的才華、創(chuàng)造力和熱情，才使得我們能夠取得如此優(yōu)異的成果。”
介子比其近親電子重 200 倍。它們是在宇宙射線穿透地球大氣層時自然產(chǎn)生的。它們也可以通過粒子加速器大量產(chǎn)生，例如費米實驗室的質(zhì)子加速器。與電子一樣，介子具有固有磁矩。當置于強磁場中時，介子的磁矩方向會進動或擺動，就像陀螺擺動一樣。介子的固有磁矩的大小決定了它進動的頻率，兩者之間的比率稱為“旋磁比”（也稱為“g 因子”）。該比率可以通過理論精確計算。當介子在磁場中旋轉(zhuǎn)時，它還會與時空最深處的揮發(fā)性量子泡沫相互作用。這些短暫的氣泡（也稱為“虛擬粒子”）會影響 g 因子，導(dǎo)致介子的進動速率加快或減慢一點。 粒子物理學(xué)的標準模型對這種不尋常的磁效應(yīng)做出了非常準確的預(yù)測。但如果量子泡沫包含新的、未知的力或粒子，標準模型的預(yù)測就會失效。
“我們測量了介子與周圍世界的相互作用。當理論學(xué)家使用已知的標準模型來計算這種相互作用時，他們得到的答案與我們不同，”肯塔基大學(xué)物理學(xué)家、介子異常磁矩模擬數(shù)據(jù)組負責人雷內(nèi)·法塔米 (Renee ) 說道。“這強烈表明，現(xiàn)有理論之外還存在一些新的東西，而介子對此非常敏感。”
研究人員此前在布魯克海文實驗室進行過類似的實驗，在2001年結(jié)束之前發(fā)現(xiàn)了一些跡象，表明μ子的行為與標準模型不一致。新的實驗結(jié)果更加精確，與布魯克海文實驗的結(jié)果一致，但與理論計算不一致。
目前理論計算的結(jié)果是g因子=2.（86），異常磁矩：0.（43）
新的綜合實驗測量結(jié)果為g因子=2.（82），異常磁矩：0.（41）
費米實驗室和布魯克海文國家實驗室的聯(lián)合測量結(jié)果與理論值的誤差在 4.2 個標準差以內(nèi)，略小于 5 個標準差，這是科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)的最終標準。這已經(jīng)是非常有力的證據(jù)了，統(tǒng)計誤差概率僅為四萬分之一。
介子異常磁矩儲存環(huán)的構(gòu)造照片。來源：費米實驗室
2013 年，布魯克海文國家實驗室的 50 英尺（16 米）超導(dǎo)儲存環(huán)通過陸路和海路從紐約長島運送到芝加哥郊區(qū)的費米實驗室，行程 3,200 英里（5,200 公里）。費米實驗室擁有一臺大型粒子加速器，可以產(chǎn)生美國最強的μ子束。在接下來的四年里，研究人員建造了各種實驗設(shè)備；調(diào)整和校準了極其均勻的磁場；開發(fā)了新的檢測技術(shù)、儀器和模擬程序；并徹底測試了整個系統(tǒng)。
介子異常磁矩實驗將一束介子送入儲存環(huán)，它們在那里以接近光速的速度旋轉(zhuǎn)數(shù)千次。儲存環(huán)周圍的探測器使科學(xué)家能夠測量介子的進動頻率。
國際合作研究μ子異常磁矩的照片
目前，μ子異常磁矩國際合作組由來自7個國家、35個研究機構(gòu)的近200名研究人員組成。在運行的第一年（2018年），μ子異常磁矩實驗收集的數(shù)據(jù)量超過了所有先前實驗的總和。現(xiàn)在，μ子異常磁矩國際合作組已經(jīng)分析了超過80億個μ子的數(shù)據(jù)。
“距離上一次布魯克海文實驗結(jié)束已經(jīng)過去了 20 多年，終于找到答案真是令人欣慰，”費米實驗室科學(xué)家克里斯·波利 (Chris Polly) 說，他現(xiàn)在是這項實驗的聯(lián)合發(fā)言人，曾在布魯克海文擔任研究生。費米實驗室實驗的第二波和第三波數(shù)據(jù)的分析正在進行中，實驗還在收集第四波數(shù)據(jù)，第五波數(shù)據(jù)即將到來。通過分析所有五波數(shù)據(jù)物理學(xué)家費米理論，科學(xué)家將能夠進行更精確的測量，并對尋找新物理學(xué)更有信心。“到目前為止，我們只分析了 6% 的數(shù)據(jù)物理學(xué)家費米理論，雖然第一次測量非常令人興奮，但未來幾年我們還有很多東西要學(xué)，”波利說。“對介子進行超精確測量是一項了不起的成就。介子異常矩實驗將為未來幾年尋找標準模型以外的新物理學(xué)提供指導(dǎo)，”費米實驗室副主任喬·萊肯 (Joe Lycan) 說。 “這是粒子物理學(xué)的一個里程碑時刻，費米實驗室正在進行尖端研究。”
2012年，上海交通大學(xué)成立了μ子物理團隊，參與費米國家實驗室的μ子g-2實驗，主要成員包括李良教授、Kim-Siang Khaw副教授等。交大團隊在反常磁矩測量方面與費米國家實驗室、阿貢國家實驗室、華盛頓大學(xué)等國際知名學(xué)術(shù)機構(gòu)開展了長期密切合作。交大團隊前期在量熱器研制和束流測試方面作出了重要貢獻，后期在探測器仿真、束流動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計、事件重構(gòu)、能量與時間校準、離線數(shù)據(jù)分析等實驗諸多方面做出了突出貢獻。交大團隊還參與了精密磁場的測量與校準，是目前合作組中參與各項測量任務(wù)最全面的實驗團隊之一。 交大團隊成員對μ子反常磁矩第一階段物理數(shù)據(jù)的μ子進動頻率（六個主要獨立分析結(jié)果之一）和磁場測量（三個主要獨立分析結(jié)果之一）以及束流動力學(xué)修正（四個主要修正之一）進行了詳細的數(shù)據(jù)分析，即將在 （PRL）和三本 （PRA、PRAB、PRD）上發(fā)表合作首批物理成果，并擔任論文主要作者。
物理與天文學(xué)院李亮教授是費米反常磁矩實驗早期成員之一，目前擔任離線數(shù)據(jù)組聯(lián)合召集人兼合作組秘書長，主導(dǎo)離線數(shù)據(jù)生成、分析和模擬相關(guān)工作。
Kim-Siang Khaw 副教授于 2015 年加入 μ 子異常磁矩實驗，并于 2019 年加入李政道研究所，擔任束流動力學(xué)校正效應(yīng)小組聯(lián)合召集人。他負責使用超級計算機進行海量數(shù)據(jù)模擬，并開發(fā)針對重大系統(tǒng)誤差的新型數(shù)據(jù)分析方法。
團隊其他成員包括博士生李卞之、碩士生褚兆林、博士生胡月凱、博士后Ereme （）、博士后李迪凱（已離站）。
4月9日下午，物理與天文學(xué)院與李政道研究所聯(lián)合舉辦的李政道前沿論壇暨學(xué)術(shù)報告會（2019），對這一里程碑式的成果進行了詳細解讀。
李政道研究所物理與天文學(xué)院
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