介子g-2环坐落在探测器大厅和其他设备中间gydF4y2Ba

存储环磁铁用于gydF4y2BaggydF4y2Ba−2费米实验室实验。gydF4y2Ba图源:Reidar Hahn/FermilabgydF4y2Ba

μ子继续表现不佳。美国的一项实验证实了早期的发现，这些粒子——质量巨大、不稳定的电子表亲——比研究人员最初预期的更具磁性。如果这一结果成立，它们将最终推动理论物理学发生重大变化，并揭示全新基本粒子的存在。gydF4y2Ba

的子gydF4y2BaggydF4y2Ba伊利诺伊州芝加哥市外的费米国家加速器实验室(费米实验室)的−2合作，于4月7日在网络广播中报告了最新的测量结果，并将其发表在gydF4y2Ba物理评论快报gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．列克星敦肯塔基大学的物理学家苏珊·加德纳说，这个结果对那些希望发现其他粒子的人来说“非常鼓舞人心”。gydF4y2Ba

μ介子gydF4y2BaggydF4y2Ba−2(读作“g - 2”)gydF4y2Ba2gydF4y2Ba2001年，当纽约厄普顿的布鲁克海文国家实验室进行这项实验时，人们发现μ子出了问题。物理学家测量了粒子磁矩的强度，这一特性使它像一个微小的条形磁铁。粒子物理学的标准模型说，在适当的单位中，μ子的磁矩应该是一个非常接近但不等于2的数字。布鲁克海文的实验测量了这个微小的差异gydF4y2BaggydF4y2Ba- 2，但发现它比理论家们预测的略大。gydF4y2Ba

基本粒子的磁矩受到已知基本粒子的“虚拟”版本的影响，这些粒子不断地从真空中冒出来，只在几分之一秒后消失。物理学家对所有已知粒子的贡献进行详细而冗长的计算，因此如果实验结果与预测值有显著差异gydF4y2BaggydF4y2Ba−2，他们推断，以前未知的粒子类型一定潜伏在真空中。最初的μ子gydF4y2BaggydF4y2Ba−2的实验给了许多物理学家希望，不久就会发现新的粒子。gydF4y2Ba

秘密的频率gydF4y2Ba

为了验证布鲁克海文的结果，研究人员在费米实验室重建了实验——让μ子围绕直径15米的超导环形磁体绕圈运行。他们从2018年开始收集数据，现在已经展示了第一年运营的结果。gydF4y2Ba

为了避免对数据分析产生偏差，该合作项目忽略了计算数据所需的一个关键参数gydF4y2BaggydF4y2Ba−2常数-在他们的仪器中数字时钟的确切频率。两位费米实验室的物理学家不是合作成员，他们被委托提供缺失的信息。因此，该团队能够进行一项冗长的研究，但最初只能在一个轴的刻度略有不确定的图表上绘制其发现。gydF4y2Ba

在2月25日的一次电话会议上，200多名团队成员中的大多数人都参加了会议，实验的两名主要成员打开了一个信封，里面装着秘密的时钟频率。当他们把这个号码输入电脑时，就会显示出他们的真实价值gydF4y2BaggydF4y2Ba−2测量。研究小组立即意识到，这一结果与20多年前在布鲁克海文记录的结果一致。gydF4y2Ba

“这个协议太棒了，”马萨诸塞州波士顿大学的李·罗伯茨说，他是μ子的始祖之一gydF4y2BaggydF4y2Ba−2名团队成员。“人们在鼓掌、上蹿下跳——就像你在Zoom上做的那样。”西雅图华盛顿大学的物理学家布林·麦考伊补充说，尽管“我们中的许多人都沉默了”，但这种快乐的反应是显而易见的。罗伯茨说，这个结果证明了最初实验的说法是正确的。gydF4y2Ba

其他物理学家对此表示赞同。瑞士苏黎世大学的理论物理学家Gino Isidori说，最新公布的结果对早期结果提出的谜团给出了“一个很好的、明确的答案”。“实验是正确的。”gydF4y2Ba

但是，尽管理论和实验结果之间的差距在统计意义上有所增加，但它仍然不能明确证明新粒子的存在。“那些曾经持怀疑态度的人可能会继续持怀疑态度，”伊西多里说。“在这一点上，球在理论家的球场上，”他补充道。gydF4y2Ba

夸克的计算gydF4y2Ba

对μ子磁矩最被广泛接受的预测是理论界去年在一篇“共识”论文中发表的一个数字gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．但4月7日发表的另一项研究gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，这表明理论和实验之间的差距可能没有想象的那么大。gydF4y2Ba

最难计算的部分是夸克的贡献，夸克是质子和中子的基本成分，这就是为什么物理学家传统上用对撞机实验的数据来补充他们的计算。gydF4y2Ba

在gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba在这项研究中，宾夕法尼亚州立大学的Zoltan Fodor和他的合作者用一种称为晶格量子色动力学(晶格QCD)的模拟技术从头开始重新计算了夸克的贡献。这项技术以前从未被用于gydF4y2BaggydF4y2Ba−2个预测，因为它还不够成熟，无法给出高精度的结果。福多和他的团队设法提高了精度，并发现gydF4y2BaggydF4y2Ba−2大于共识值，且更接近实验测量值。伊利诺伊大学香槟分校的理论物理学家Aida El-Khadra说，其他晶格QCD团队正在努力达到这种精度，以便该技术可以用于计算共识值。她说:“其他合作也在努力减少他们的错误，这需要大量的计算资源。”gydF4y2Ba

更新物理gydF4y2Ba

的子gydF4y2BaggydF4y2Ba−2团队现在正忙着分析一些最新的数据，以及收集更多的数据。研究人员最终预计他们的测量精度将提高四倍。如果这种差异被证明是真实的，那么标准模型将不得不更新以包括新的粒子。其中一个问题是，自2001年以来，许多可能使μ子磁矩膨胀的候选粒子在其他实验中被排除了，这些实验主要是由瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机进行的。gydF4y2Ba

有很多理论可以解释μ子gydF4y2BaggydF4y2Ba−2的结果仍然存在，但研究人员认为这是人为的。“对我来说，没有任何一种解释比其他任何解释都更优雅或更令人信服，”德国德累斯顿理工大学的理论物理学家多米尼克Stöckinger说，他是μ介子的成员gydF4y2BaggydF4y2Ba−2。gydF4y2Ba

自20世纪70年代首次组装以来，标准模型已经通过了所有测试，并且几乎没有改变。但是物理学家们确信它一定是不完整的，一些人希望μ子能揭示它的第一个失败。罗伯茨说:“如果我们证实了与标准模型的差异，这就是人们50年来一直在寻找的东西。”gydF4y2Ba