期待已久的μ介子實驗結果即將揭曉

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費米實驗室μ介子g-2實驗的存儲環磁鐵 圖片來源：Reidar Hahn/Fermilab

經過20年的等待，重新啟動的μ介子實驗即將公布結果。他們計劃于4月7日公布μ介子磁性的最新測量結果，物理學家對此寄予厚望，相關發現可能會導致新粒子的發現。

這個名為“μ介子g-2”的實驗是在位于美國伊利諾斯州的費米國家加速器實驗室進行的。1997年至2001年，μ介子實驗曾首次在紐約長島的布魯克海文國家實驗室進行，并于2001年公布并在2006年最終確定結果，發現μ介子的磁矩（產生的磁場量度）略大于理論預測。

該結果引起了物理界的轟動和爭議。如果這些結果最終得到證實（在下周或未來的實驗聲明中），它們可能揭示新粒子的存在，并顛覆基礎物理學。美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校理論物理學家Aida El-Khadra說：“每個人都坐立不安。”

μ介子g-2實驗通過在直徑為15米的圓內移動粒子來測量介子的磁矩。一個強大的磁鐵使介子保持在圓形軌道上，同時使它們的南北磁軸旋轉。粒子的磁矩越強，軸的旋轉速度就越快。“我們測量的是介子在磁場中旋轉的速率。”美國波士頓大學物理學家Lee Roberts說。

最初的實驗發現與理論預期的差異很小，但卻足以在理論家中引起轟動。量子物理學初步預測，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算)。但更全面的計算揭示了這個完美值的偏差，這是由于“真空從來都不是真正的真空”這一事實造成的。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。

存在的粒子種類越多，虛粒子對磁矩的影響就越大。這意味著，高精度的測量可以間接揭示之前未知粒子存在的證據。測量產生的磁矩與2只有輕微的不同，這種微小的差異通常用g-2表示。

在布魯克海文實驗中，物理學家們發現g-2的值為0.0023318319。當時，這比理論學家對已知虛粒子貢獻的最佳估計略大，雖然測量的精度還沒有高到足以自信地宣稱這種差異是真實的，但它卻足以讓人興奮。

在布魯克海文實驗中，介子磁矩的實驗值必須與理論預測值相比較，而理論預測本身就有較大的不確定性。但是，盡管μ介子g-2的最佳實驗測量在15年里沒有改變，理論預測卻在發展。

去年，由El-Khadra共同主持的一個大型合作項目召集了幾個研究小組，每個小組專門研究一種類型的虛擬粒子，并公布了基本常數的“共識”值。理論值和實驗值之間的差異沒有改變。

同樣是去年，一個研究小組發表了一篇預印本文章，表明μ介子g-2的理論值接近實驗值。該團隊專注于該理論中一個特別頑固的不確定性來源——虛膠子。如果他們的結果是正確的，理論和實驗之間的差距可能是不存在的。El-Khadra說，初步的研究結果“引起了很大的轟動”，并引發了激烈的辯論。

4月7日公布的結果可能還不能解決這個問題。由于設備的升級，該團隊最終希望將μ介子g-2的精確度提高到布魯克海文實驗的4倍。但到目前為止，該研究只分析了2017年以來收集的一年的數據，誤差幅度沒有布魯克海文實驗的小。不過，Roberts表示，如果測量結果與最初的結果非常接近，人們對結果的信心就會提高。

如果費米實驗室最終證實了布魯克海文實驗的發現，科學界可能會要求進行進一步、獨立的證實。這可能需要日本質子同步加速器正在開發的一項實驗技術，該技術將以一種完全不同的方式測量μ介子的磁矩。

相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevD.73.072003

https://doi.org/10.1016/j.physrep.2020.07.006