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迄今最精确测量结果显示缪子行为异常,预示着可能存在新的未知粒子

2021-04-15 10:08栏目: 科技
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迄今最精确测量结果显示缪子行为异常,预示着可能存在新的未知粒子

缪子反常磁矩实验图片   图片来源:美国实验室官网

科技日报记者 刘霞 在美国费米实验室进行的缪子反常磁矩实验显示,缪子的行为与标准模型理论预测不相符!记者8日从上海交通大学缪子物理团队带头人李亮教授处获悉,他们参与的美国费米实验室缪子反常磁矩实验(Muon g-2)首批结果今天公布,以前所未有的测量精度,为新物理的存在提供了强有力证据。

缪子的“体重”比它的近亲电子重200倍,在宇宙射线穿透地球大气层时自然产生,此外,费米实验室里的质子加速器也可以大量制造缪子。

李亮解释说:“缪子与电子都有内禀磁矩,在外界强磁场的作用下,缪子的磁矩指向会发生进动(摆动)。缪子内禀磁矩的大小决定了其进动频率的大小,这两者之间的比值被称为g-因子,科学家可以精确计算出这一比值。”

李亮进一步表示,当缪子在磁场中旋转时,也会与时空最深处起伏不定的量子泡沫(也被称为“虚粒子”)相互作用,这些转瞬即逝的量子泡沫会影响g-因子,使缪子进动的频率加快或变慢。粒子物理标准模型可以精准预测这一反常的磁矩影响。但如果量子泡沫中包含新的作用力或粒子,g值会进一步改变。

2001年,布鲁克海文实验室测得的g—因子数值比理论值偏大,显示缪子的行为可能与标准模型不符,在物理学界引发轰动。20年后,缪子反常磁矩实验以更高的测量精度再次证实了这一偏差。

据上海交通大学缪子物理团队许金祥副教授介绍,在最新实验中,研究人员将费米实验室的粒子加速器产生的缪子束流送入一个直径为15米的超导磁铁存储环内,强大的磁铁使缪子保持在圆形轨道上,利用放在环内侧的探测器,可以精确测量缪子的进动频率,从而获得了迄今最精确g-因子值,且与布鲁克海文实验得出的测量值相吻合。

许金祥说:“这两个实验结果结合起来,显示缪子行为与标准模型之间不匹配的置信度为4.2倍标准方差,仅比5倍标准方差(科学家宣布发现的最终标准)略小,这是一个非常有力的证据,出现统计误差的概率仅有四万分之一。”

“这两个实验结果携手,为新物理的存在提供了强有力的证据,预示着世界上可能存在新的未知粒子或作用力。”李亮强调。

据悉,这个结果只利用了2018年开始的第一轮实验获得的数据,他们仍在分析第二轮、第三轮实验获得的数据,目前,第四轮实验正在进行,第五轮实验处于计划中。

李亮指出:“综合这五轮运行的结果,科学家们将得到g-因子更精确的测量结果,从而更确定地揭示是否存在新粒子或新物理学。”

我们可能看不懂这一成果的内容,但我们要知道:这是物理学界的一件大事!简单来说,新实验表明了自然界中的未知粒子,给了缪子额外的推力——而这一发现意味着有50年历史的粒子物理标准模型的预言失败。对物理学家来说,这可不是沮丧的结果,而是令人无比兴奋的战斗的开始,缪子本来就被视为“新物理的探针”,如今新成果虽不至于彻底颠覆标准模型,但也向所有人指向了一个新的物理学世界。

责任编辑: 常丽君