期待已久的μ介子實(shí)驗(yàn)結(jié)果即將揭曉 相關(guān)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致新粒子的發(fā)現(xiàn)

經(jīng)過20年的等待，重新啟動(dòng)的μ介子實(shí)驗(yàn)即將公布結(jié)果。研究人員計(jì)劃于4月7日公布μ介子磁性的最新測量結(jié)果，相關(guān)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致新粒子的發(fā)現(xiàn)。

這個(gè)名為μ介子g-2的實(shí)驗(yàn)是在美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。1997年至2001年，μ介子實(shí)驗(yàn)曾首次在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，并在2006年最終確定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)μ介子的磁矩(產(chǎn)生的磁場量度)略大于理論預(yù)測。

該結(jié)果引起了物理界的轟動(dòng)和爭議。如果這些結(jié)果最終得到證實(shí)，它們可能揭示新粒子的存在，并顛覆基礎(chǔ)物理學(xué)。伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校理論物理學(xué)家Aida El-Khadra說：“每個(gè)人都坐立不安。”

μ介子g-2實(shí)驗(yàn)通過在直徑為15米的圓內(nèi)移動(dòng)粒子來測量介子的磁矩。一個(gè)強(qiáng)大的磁鐵使介子保持在圓形軌道上，同時(shí)使它們的南北磁軸旋轉(zhuǎn)。粒子的磁矩越強(qiáng)，軸的旋轉(zhuǎn)速度就越快。“我們測量的是介子在磁場中旋轉(zhuǎn)速率。”波士頓大學(xué)物理學(xué)家Lee Roberts說。

量子物理學(xué)初步預(yù)測，基本粒子(如介子和電子)的磁矩正好等于2(用依賴于粒子的測量單位計(jì)算)。但更全面的計(jì)算揭示了這個(gè)值的偏差，這是由于“真空從來不是真正的真空”造成的，即介子周圍的空間里充斥著各種“虛粒子”，它們改變了介子的磁場。這種微小的差異通常用g-2表示。

在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)g-2的值為0.0023318319。該實(shí)驗(yàn)中，介子磁矩的實(shí)驗(yàn)值必須與理論預(yù)測值相比較，而理論預(yù)測本身就有較大的不確定性。

去年，由El-Khadra參與主持的一個(gè)大型合作項(xiàng)目召集了幾個(gè)研究小組，每個(gè)小組專門研究一種類型的虛擬粒子，并公布了基本常數(shù)的“共識”值。理論值和實(shí)驗(yàn)值之間的差異沒有改變。

同樣是去年，一個(gè)研究小組發(fā)表了一篇預(yù)印本，表明μ介子g-2的理論值接近實(shí)驗(yàn)值。該團(tuán)隊(duì)專注于該理論中一個(gè)特別頑固的不確定來源——虛膠子。如果他們的結(jié)果是正確的，理論值和實(shí)驗(yàn)值間的差距可能是不存在的。El-Khadra說，初步的研究結(jié)果“引起了很大的轟動(dòng)”，并引發(fā)了激烈的辯論。

4月7日將公布的結(jié)果可能還不能解決這個(gè)問題。由于設(shè)備升級，該團(tuán)隊(duì)最終希望將μ介子g-2的精確度提高到布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的4倍。但到目前為止，該研究誤差幅度沒有減小。不過，Roberts表示，如果測量結(jié)果與最初的結(jié)果非常接近，人們對結(jié)果的信心就會(huì)提高。(辛雨)