原文以Muons’ big moment could fuel new physics为标题
发布在2017年4月11日的《自然》新闻上
原文作者：Elizabeth Gibney
费米实验室对μ子磁矩更精确的测量可能会揭示未知的虚粒子。
在探寻新物理的过程中，基于大型粒子碰撞机里面的高能碰撞实验一无所获。所以，物理学家把希望寄托在更加精确的方法上：减少粒子的碰撞和捕捉，更多地观察粒子摆动的方式。下个月，美国的研究者将要启动这样一个实验。这个实验将会对质量比电子大但其他性质和电子极为相似的μ子在磁场中的行为做一个超精准的测量，这或许将为全新粒子的存在提供证据。
μ子g-2实验将通过测量μ子在磁场中的摆动方式来寻找与标准模型的偏差。
Fermilab
在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家实验室里，新实验所追寻的粒子包含了虚粒子汤的一部分，这种虚粒子汤围绕着所有形式的物质并能与它们发生作用。量子理论认为，寿命短暂的虚粒子时有时无，持续不断地闪现。物理学家已经解释了诸如光子和夸克等已知虚粒子的影响。但虚粒子汤可能具有神秘未知的成分，而μ子可能对它们特别灵敏。
这个新的μ子g-2实验将以无与伦比的精度测量这种灵敏度。这样，它将重新分析一个十多年来一直困扰物理学家的μ子磁矩异常现象。如果实验证实这个异常现象是真实的，那么最有可能的解释就是它是由现有物理学标准模型中还未出现的虚粒子引起的。
改编自go.nature.com/2naoxaw
μ子g-2实验合作项目的成员、德国德累斯顿技术大学理论物理学家Dominik Stöckinger说：“这将是超越标准模型的物理学和全新粒子存在的第一个直接证据。”
物理学家正努力寻求标准模型的继承者 — 标准模型已经极为成功但被认为是不完整的，因为它不能解释诸如暗物质的存在等许多现象。瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN的大型强子对撞机（LHC）实验尽管超出了预期，并对超越标准模型的物理进行了数百次探索，但并没有打开特定缺口。μ子磁矩异常现象是物理学家掌握的少许线索之一。
磁矩是粒子的基本特性之一，和粒子的固有磁性相关，而对μ子磁矩的测量正是实验的关键所在，因为该磁矩能被μ子与虚粒子的相互作用调整。15年前在纽约布鲁克海文国家实验室进行测量时，μ子的磁矩大于理论预测。物理学家认为，这种异常现象可能由与未知粒子的相互作用引起，这些未知粒子也许就是被超对称理论所设想的那些粒子。
其他可能的解释是理论家在囊括已知粒子复杂效应的标准模型计算中出现统计偏差或缺陷。但是Stöckinger说，这种可能性越来越小，新的计算方法和实验上的交叉检查使理论方面比15年前更加可靠。
“由于布鲁克海文特实验室的结果诱人，你真的得做一个更好的实验，”μ子g-2实验的联合领导人、马萨诸塞州波士顿大学物理学家李·罗伯茨（Lee Roberts）说。 费米实验室的装置将使用的μ子数量是布鲁克海文实验中的20倍，从而将不确定度缩小4倍。他还说：“如果误差更小，我们认为这将表明肯定有一些粒子没有在别的地方被观察到。”
为了探测这些μ子，费米实验室的物理学家打算把粒子注入到约束在一个直径大约为14米的圆环中的磁场里面。每个粒子都具有称作自旋的磁性，类似于地球绕其轴自转。随着μ子以接近光速的方式绕环运动，它们的旋转轴会在磁场中摆动，就像失去平衡的旋转陀螺那样。结合进动速率以及对磁场的测量，我们能得到粒子的磁矩。
Stöckinger表示，自从布鲁克海文实验结果公布以来，μ子异常现象的一些流行解释 — 包括假设的暗光子的影响 — 似乎已被其他实验排除。“但是，如果你关注超出标准模型的全部物理场景，仍有很多可能性。”
费米实验室是μ子g-2实验的所在地。
Fermilab
虽然积极的结果也几乎无法断定新的粒子究竟是什么，但它将为其他实验如何最终敲定粒子的本源提供线索。Stöckinger表示，如果布鲁克海文实验中的相对较大的偏差依然存在，它只能来自相对比较轻的粒子，即使它们很少相互作用，需要多年的时间才会出现。这些轻粒子应该在LHC的能量范围内。
实际上，以先前发现为基础的愿望是如此强烈，为了避免可能的偏见，费米实验室的研究人者将采用盲法方式处理他们未来的实验结果，并对决定磁矩的两次测量分别加以不同的偏移。只有在偏移量被公布之后，大家才能知道他们是否有新的粒子隐藏在量子汤中的证据。“在那之前，没有人知道答案是什么，”罗伯茨说，“那将是一个激动人心的时刻。” ⓝ
Nature|doi:10.1038/544145a
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