科學家從美國能源部的μ介子g-2實驗中獲得令人振奮的新物理學證據

據外媒報道,令人期待已久的美國能源部費米國家加速器實驗室的μ介子g-2實驗的第一個結果顯示,被稱為μ介子的基本粒子的行為方式是科學家們最好的理論–粒子物理學標准模型–所不能預測的。這一具有里程碑意義的結果,以前所未有的精度做出,證實了幾十年來一直困擾研究人員的差異。強有力的證據表明,μ介子偏離了標准模型的計算,可能暗示着令人興奮的新物理學。μ介子作為進入亞原子世界的窗口,可能與尚未發現的粒子或力量相互作用。

科學家從美國能源部的μ介子g-2實驗中獲得令人振奮的新物理學證據

「今天是非同尋常的一天,不僅是我們,而且是整個國際物理學界期待已久的一天,」μ介子g-2實驗的聯合發言人、意大利國家核物理研究所的物理學家Graziano Venanzoni說。「大量的功勞要歸功於我們的年輕研究人員,他們憑借自己的天賦、想法和熱情,讓我們取得了這一不可思議的成果。」

一個μ介子的質量大約是電子的200倍。當宇宙射線擊中地球大氣層時,μ介子就會自然產生,費米實驗室的粒子加速器可以大量產生μ介子。和電子一樣,μ介子的作用就像它們有一個微小的內部磁鐵。在強磁場中,μ介子的磁體方向會預處理或搖擺,就像旋轉的頂部或陀螺儀的軸線一樣。內部磁體的強度決定了μ介子在外部磁場中的預處理速度,用一個數字來描述,物理學家稱之為g因子。這個數字可以用超高精度計算出來。

科學家從美國能源部的μ介子g-2實驗中獲得令人振奮的新物理學證據

當μ介子在μ介子g-2磁體中循環時,它們也會與彈入和彈出的亞原子粒子的量子泡沫相互作用。與這些短命粒子的相互作用會影響g因子的值,導致μ介子的前行速度非常輕微地加快或減慢。標准模型極其精確地預測了這種所謂的異常磁矩。但如果量子泡沫中含有標准模型沒有考慮到的額外力量或粒子,那就會進一步調整μ介子的g因子。

「我們測量的這個量反映了μ介子與宇宙中其他一切事物的相互作用。但是,當理論家們使用標准模型中所有已知的力和粒子計算相同的量時,我們得到的答案並不一樣。」肯塔基大學的物理學家、μ介子g-2實驗的模擬經理Renee Fatemi說。「這是一個強有力的證據,表明μ介子對一些不在我們最佳理論中的東西很敏感。」

美國能源部布魯克海文國家實驗室的前身實驗於2001年結束,它提供了μ介子的行為與標准模型不一致的提示。費米實驗室的μ介子g-2實驗的新測量結果與布魯克海文國家實驗室發現的數值非常一致,並以迄今為止最精確的測量結果與理論相左。

科學家從美國能源部的μ介子g-2實驗中獲得令人振奮的新物理學證據

μ介子的公認理論值為:

g-因子:2.00233183620(86)

異常磁矩:0.00116591810(43)

[括號內為不確定性]

周三μ介子g-2實驗合作公布的新的世界平均實驗結果是:

g-因子: 2.00233184122(82)

異常磁矩:0.00116592061(41)

費米實驗室和布魯克海文國家實驗室的綜合結果顯示,與理論的差異顯著性為4.2sigma,離科學家們宣稱發現所需的5sigma(或標准差)還差一點,但仍是新物理學的有力證據。結果是統計波動的幾率約為4萬分之一。

費米實驗室的實驗重復使用了布魯克海文實驗中的主要部件,一個50英尺直徑的超導磁存儲環。2013年,它通過陸路和海路從長島運輸3200英里到芝加哥郊區,科學家們可以利用費米實驗室的粒子加速器,產生美國最強烈的μ介子束。在接下來的四年里,研究人員組裝了實驗;調整和校準了一個令人難以置信的均勻磁場;開發了新的技術、儀器和模擬;並徹底測試了整個系統。

μ介子g-2實驗將一束μ介子送入存儲環,在那里它們以接近光速的速度循環數千次。環內的探測器讓科學家們能夠確定μ介子的預處理速度。

在2018年運行的第一年,費米實驗室實驗收集的數據比之前所有μ介子g因子實驗的總和還要多。通過來自7個國家35個機構的200多名科學家的合作,μ介子g-2實驗目前已經完成了對首次運行的80多億個μ介子的運動分析。

費米實驗室科學家克里斯-波利說:”在布魯克海文實驗結束20年後,終於要解決這個謎團了,真是太令人欣慰了。”他是本次實驗的聯合發言人,也是布魯克海文實驗室的首席研究生。

實驗的第二次和第三次運行的數據分析正在進行,第四次運行正在進行,第五次運行也在計劃之中。結合這五次運行的結果,科學家們將對μ介子的晃動進行更精確的測量,更確定地揭示量子泡沫中是否隱藏着新的物理學。

“到目前為止,我們分析的數據還不到實驗最終收集到的數據的6%。雖然這些最初的結果告訴我們,與標准模型存在着有趣的差異,但在接下來的幾年里,我們將學到更多的東西。”波利說。

「鎖定μ介子的微妙行為是一項了不起的成就,它將在未來幾年內指導尋找超越標准模型的物理學,」 Fermilab研究副主任Joe Lykken說。「對於粒子物理學研究來說,這是一個激動人心的時刻,而費米實驗室正處於最前沿。」

來源:cnBeta