期待已久的μ介子实验结果即将揭晓

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费米实验室μ介子g-2实验的存储环磁铁 图片来源：Reidar Hahn/Fermilab

经过20年的等待，重新启动的μ介子实验即将公布结果。他们计划于4月7日公布μ介子磁性的最新测量结果，物理学家对此寄予厚望，相关发现可能会导致新粒子的发现。

这个名为“μ介子g-2”的实验是在位于美国伊利诺斯州的费米国家加速器实验室进行的。1997年至2001年，μ介子实验曾首次在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室进行，并于2001年公布并在2006年最终确定结果，发现μ介子的磁矩（产生的磁场量度）略大于理论预测。

该结果引起了物理界的轰动和争议。如果这些结果最终得到证实（在下周或未来的实验声明中），它们可能揭示新粒子的存在，并颠覆基础物理学。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校理论物理学家Aida El-Khadra说：“每个人都坐立不安。”

μ介子g-2实验通过在直径为15米的圆内移动粒子来测量介子的磁矩。一个强大的磁铁使介子保持在圆形轨道上，同时使它们的南北磁轴旋转。粒子的磁矩越强，轴的旋转速度就越快。“我们测量的是介子在磁场中旋转的速率。”美国波士顿大学物理学家Lee Roberts说。

最初的实验发现与理论预期的差异很小，但却足以在理论家中引起轰动。量子物理学初步预测，基本粒子（如介子和电子）的磁矩正好等于2(用依赖于粒子的测量单位计算)。但更全面的计算揭示了这个完美值的偏差，这是由于“真空从来都不是真正的真空”这一事实造成的。介子周围的空间里充斥着各种“虚粒子”，它们改变了介子的磁场。

存在的粒子种类越多，虚粒子对磁矩的影响就越大。这意味着，高精度的测量可以间接揭示之前未知粒子存在的证据。测量产生的磁矩与2只有轻微的不同，这种微小的差异通常用g-2表示。

在布鲁克海文实验中，物理学家们发现g-2的值为0.0023318319。当时，这比理论学家对已知虚粒子贡献的最佳估计略大，虽然测量的精度还没有高到足以自信地宣称这种差异是真实的，但它却足以让人兴奋。

在布鲁克海文实验中，介子磁矩的实验值必须与理论预测值相比较，而理论预测本身就有较大的不确定性。但是，尽管μ介子g-2的最佳实验测量在15年里没有改变，理论预测却在发展。

去年，由El-Khadra共同主持的一个大型合作项目召集了几个研究小组，每个小组专门研究一种类型的虚拟粒子，并公布了基本常数的“共识”值。理论值和实验值之间的差异没有改变。

同样是去年，一个研究小组发表了一篇预印本文章，表明μ介子g-2的理论值接近实验值。该团队专注于该理论中一个特别顽固的不确定性来源——虚胶子。如果他们的结果是正确的，理论和实验之间的差距可能是不存在的。El-Khadra说，初步的研究结果“引起了很大的轰动”，并引发了激烈的辩论。

4月7日公布的结果可能还不能解决这个问题。由于设备的升级，该团队最终希望将μ介子g-2的精确度提高到布鲁克海文实验的4倍。但到目前为止，该研究只分析了2017年以来收集的一年的数据，误差幅度没有布鲁克海文实验的小。不过，Roberts表示，如果测量结果与最初的结果非常接近，人们对结果的信心就会提高。

如果费米实验室最终证实了布鲁克海文实验的发现，科学界可能会要求进行进一步、独立的证实。这可能需要日本质子同步加速器正在开发的一项实验技术，该技术将以一种完全不同的方式测量μ介子的磁矩。

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevD.73.072003

https://doi.org/10.1016/j.physrep.2020.07.006