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期待已久的μ介子实验结果即将揭晓
发布时间:2021年04月01日 11:00:36  来源: 《中国科学报》

原标题:期待已久的μ介子实验结果即将揭晓

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。研究人员计划于4月7日公布μ介子磁性的最新测量结果,相关发现可能会导致新粒子的发现。

这个名为μ介子g-2的实验是在美国费米国家加速器实验室进行的。1997年至2001年,μ介子实验曾首次在布鲁克海文国家实验室进行,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,它们可能揭示新粒子的存在,并颠覆基础物理学。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速率。”波士顿大学物理学家Lee Roberts说。

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值的偏差,这是由于“真空从来不是真正的真空”造成的,即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。这种微小的差异通常用g-2表示。

在布鲁克海文国家实验室的实验中,物理学家发现g-2的值为0.0023318319。该实验中,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。

去年,由El-Khadra参与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,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来源——虚胶子。如果他们的结果是正确的,理论值和实验值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日将公布的结果可能还不能解决这个问题。由于设备升级,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国家实验室实验的4倍。但到目前为止,该研究误差幅度没有减小。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。(辛雨)

责任编辑:小云
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