挑战现有物理学理论体系,独家专访缪子物理研究中国科学家|费米实验室公布首个缪子反常磁矩实验结果

DeepTech深科技 2021-04-09 13:05


“我们曾经想过会引起关注,这个结果肯定非常重要,但还是没预料到会有这么大轰动。” 谈及美国费米国家实验室公布的缪子反常磁矩实验(Muon g-2 实验)首个结果,亲自参与该项目的上海交通大学物理与天文学院教授李亮告诉 DeepTech。


近日,美国费米实验室向世人宣布了一项振奋人心的消息——缪子的行为与标准模型理论值不符!


而缪子反常磁矩的实验结果,有可能会开辟一个新的物理研究领域,甚至开启一个新的物理纪元。


图 | 费米国家加速器实验室的 Muon g-2 环(来源:美国费米国家实验室)


值得一提的是,上海交通大学于 2012 年成立了缪子物理研究团队,并参加了费米国家实验室主持的缪子反常磁矩实验,团队由李亮教授与该校许金祥副教授领衔。


图 | 许金祥副教授(左) 、李亮教授(右)(来源:受访者)


上海交大团队同时参与了缪子进动频率、精确磁场的测量、校准以及束流动力学效应等方面的研究,是当前合作组中参与各项测量任务最全面的实验团队之一。


对于该实验,学界可以说是翘首以盼,因为缪子反常磁矩实验是对标准模型的最严格检验,不过这个模型并非那么完美,因为自然界可能还存在某种未发现的粒子、或未知的作用力,因此不论哪一种,都将是震惊物理学界的发现。


神奇的缪子


缪子又称 μ 子,于 1936 年被瑞典裔美国物理学家卡尔・安德森发现,它是一种不稳定的基本粒子,其带有一个单位负电荷,静质量为电子的 207 倍(约 105.6 MeV/c),可以看成是超重版的电子。此外,缪子的衰变产物包含电子和中微子。


历史上,关于缪子的研究有很多,在杨振宁和李政道的宇称不守恒理论研究中,也曾见到它的身影。而如今,缪子反常磁矩的实验结果,又增添了它的神秘色彩。


所谓 “磁矩” 其实就是粒子磁性的表现,每个带电基本粒子由于自旋,都有自己的磁矩。根据经典理论,基本粒子的磁矩中 g 因子都是 2。


图 | Fermilab MC-1 大楼中的 Muon g-2 粒子存储环(来源:美国费米国家实验室)


但是,空间的量子泡沫效应、以及与其他粒子的相互作用,都会对粒子的磁矩产生微小的影响,而这个微小的量子修正就是反常磁矩(g-2)。


其实早在 2001 年,就有来自美国布鲁克海文实验室的团队,进行了缪子反常磁矩测量的实验,并得到了与标准模型偏差 3.7 倍标准方差(3.7σ)的结果,该实验结果最终于 2006 年以论文形式发表。


粒子物理的标准模型是一套描述强力、弱力、电磁力及它们组成所有物质的基本粒子的理论框架。它隶属量子场论的范畴,并与量子力学及狭义相对论相容。


截止目前,几乎所有对以上三种力的实验结果,都合乎该理论的预测。但是缪子反常磁矩结果的超出,是对标准模型模型的一个挑战,它表明该模型也许并不是那么完美。


时隔二十年,2021 年,费米实验室进行了更加精确的实验,其结果与布鲁克海文实验的结果基本一致,两者综合测量的结果与理论值的偏差为 4.2σ,这再次表明缪子的反常磁矩与理论模型的预测确实有偏差。


大多数粒子学家们一致认为,这一结果相当重要,但要成为坚实有力的证据,还需要达到 5σ。


“5σ” 是粒子物理学用来判定发现的通用标准,也称 “5 倍标准方差”,取得等于或者高于 5σ 的实验结果,就能被 “坐实 “为 “铁证”。


在统计学上,这是置信区间的另一种说法,例如 95% 的置信区间,其标准方差约为 2.5σ,99.7% 的置信区间则为 3σ,而 5σ 就意味着只有百万分之一错误的概率。


图 | 在 2013 年检查 Muon g-2 环(来源:美国费米国家实验室)


而此次实验有如此高的测量精度,堪称是当今粒子物理学、乃至整个物理学精度最高的实验之一。


之前布鲁克海文实验室的核心装置 “储存环” 被运到费米实验室,由 7 个国家、35 个研究单位的近 200 个科研工作者组成的研究团队,对实验设备进行建造和调试,并对每个细节都提出了最高要求,才达到这样的测量精度。


图 | 左图:上一代的缪子反常磁矩实验于 1990 年代在美国长岛的布鲁克海文实验室进行。2013年人们使用驳船和卡车,将近 700 吨重的储存环沿大西洋海岸,横穿墨西哥湾、然后沿密西西比河和德斯普兰斯河上运送到至费米实验室进行新实验的建造;右图:2013 年 7 月成千上万的人庆祝它的到来(来源:Quanta Magazine;左图 Darin Clifton;右图 Reidar Hahn)


该实验的目的是测量缪子的磁矩,研究团队将大量缪子注入到 “储存环” 中,并让它们在其中像陀螺一样一边旋转一边自转(专业术语为 “自旋 “)。


由于缪子带电,它们会与磁场相互作用,缪子的自旋方向进而会发生偏转(专业术语为“进动”),就像陀螺转动时的轴心会发生偏转一样。


通过测量缪子在磁场中的进动频率,就能测量其磁性(更准确地说是磁矩)。总之,通过测量缪子在磁场中旋转时的自旋摆动频率,就能测量出其反常磁矩。


图 | 缪子的反常磁矩与标准模型预测值有较大偏差(来源:Quanta Magazine)


成为颠覆标准模型的有力证据?


实验结果表明,对比标准模型预测值,缪子的磁矩有较大偏差,这与布鲁克海文国家实验室的发现一致。那么本次实验,会成为颠覆标准模型的有力证据么?


中科院理论物理研究所研究员杨金民表示:“此次的实验结果精度上来说是高了一些,但是其结果的中心值,较上次向标准模型的预言值靠近了一些,所以还需后续实验来验证。


如果精度有保证,后续实验结果的中心值向标准模型靠近,那么对标准模型就是有利的。假如未来的实验结果,能跟标准模型的偏离达到 5σ 以上,我才认为是颠覆性的或者说是突破性的成果。”


中国科学院理论物理研究所研究员舒菁告诉 DeepTech:“不过就算有精度更高、足够多的实验数据支撑,也不能在短时间内认为标准模型不适用,因为标准模型理论格点计算值现在并不明朗,我们同样需要在理论计算方面提高精度,降低系统误差,不同小组的计算结果达成共识。


如果实验结果和理论计算,都在足够精确的范围内,并且又有统计意义上的大偏差,这时才能比较肯定地认为存在新的物理规律。这并不意味着直接否定标准模型,只能证明标准模存在拓展的空间、和适用范围。


因为标准模型是一种一般化模型,而在有些极端的领域,可能会有所偏差。就像在相对论问世之前,牛顿经典力学也被认为是宇宙中普遍适用的物理原理,但在 ‘高速’ 运动下,还是要遵从相对论理论。我们不能说牛顿经典力学是错的,只能说存在适用范围。


而新的理论基本都是在原有基础上,在更高层次进行拓展。此次实验结果可能表明的是标准模型少了元素、少了新粒子或者作用力,或者我们对于标准模型的理解需要考虑到更多的修正,而这也是未来理论研究的方向之一。”


图 | 缪子反常磁矩两次实验结果和标准模型预测值之间的关系(来源:PHYSICAL REVIEW LETTERS)


提及未来实验的研究方向,李亮表示,将继续进行相关实验研究和数据分析,测量精度将在明年和后年得到提升,最终结果很有可能达到 5σ 以上。


而来自日本的研究团队也将通过另一种方式对其进行验证。如果两种实验的结果相类似,那么就能成为非常牢固的证据。


缪子反常磁矩的偏差已被发现了 20 年,之所以直到现在才做出重要结论,是因为实验难度确实很大。


李亮坦言:“其一,实验的精度要求特别高,要达到百万分之一以下,而本次实验几乎是整个粒子物理实验中精度最高的实验之一,你很难找到比这个要求更高的实验,所以要花费很长时间;


其二,因为要测量缪子,所以必须得有大量产生缪子的地方,而缪子源在全世界也非常少。目前在美国合适的缪子源只有费米实验室有,原来的第一个缪子源在布鲁克海文实验室,但是后来该缪子源被关闭,所以他们的实验就没有继续下去。直到后来利用费米实验室的加速器,才建造和铺设了一个新的缪子源进行实验。而中国现在也在广东的东莞建造缪子源,所以非常期待以后在中国也能开展缪子相关的前沿基础研究。


其三,得到测量结果以后还要进行细致的误差分析,2018 年我们就把数据采集完,但直到 2021 年才得出比较明确的结论,因为我们必须得非常小心,各种误差都考虑到,然后才能对外公布结果。”


杨金民也表示,这类研究不是说有钱就可以,美国从几十年前就开始做实验,2006 年相关结果发表后,此后十几年间始终没有其他国家做同类实验。


缪子会走入寻常百姓家么?


说到缪子和老百姓有何干系,李亮拿相对论做了一个比喻:“相对论,当时也是轰动学界的理论,但也未能在理论面世后的若干年内,较大程度地改变人类生活。因为相对论描述的是极端高速运动下的物理规律,并不适用于日常生活。


但自信息革命以来,特别是人类发射的卫星到了太空以后,由于引力的影响,相对论的修正效应就变得非常明显。以卫星定位系统为例, 如果不考虑相对论,那就没有办法定位。因此,从纯理论到科技应用改变生活,是需要时间的。”


缪子具有很奇特的属性,这一发现并不会立刻改变人类生活。然而前沿基础科学的影响虽然会迟到,但是永远不会缺席。经过一段时间的发展和酝酿,从前沿基础研究、到科技应用、再到改变人类生活的过程必然会发生,而且每次的影响都非常巨大和深远。


而本次研究,就像在探索路上发现了一条十分隐秘的小路,走的人多了,这条路的去向才会逐渐清晰。


-End-

翻译支持:郝钟雅

专业支持:靖海、中国科学院理论物理研究所博导张潘、上海交大物理与天文系特别研究员金贤敏、北大粒子物理专业博士生张策、北大物理化学专业博士生杨钰莹、北大物理专业博士生安莹。

参考:

1. T. Albahri, A. Anastasi, et al. Magnetic-field measurement and analysis for the Muon g− 2 Experiment at Fermilab.  PHYSICAL REVIEW A 103, 042208 (2021)

2. T. Albahri, A. Anastasi, A. Anisenkov, et al. Measurement of the anomalous precession frequency of the muon in the Fermilab Muon g − 2 Experiment.  PHYSICAL REVIEW D 103, 072002 (2021)

3. B. Abi,  T. Albahri, S. Al-Kilani, et al. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm.  PHYSICAL REVIEW LETTERS 126, 141801 (2021)

4. Bunce G ,  Cushman P ,  Carey R M , et al. Final report of the E821 muon anomalous magnetic moment measurement at BNL. PHYSICAL REVIEW D 73, 072003 (2006)

5.Dennis Overbye.A Tiny Particle’s Wobble Could Upend the Known Laws of Physics.The New York Times (2021)

6.Natalie Wolchover.‘Last Hope’ Experiment Finds Evidence for Unknown Particles.Quanta Magazine(2021)