繆子反常磁矩實驗圖片

圖片來源：美國實驗室官網

科技日報記者 劉霞

在美國費米實驗室進行的繆子反常磁矩實驗顯示，繆子的行爲與標準模型理論預測不相符！記者8日從上海交通大學繆子物理團隊帶頭人李亮教授處獲悉，他們參與的美國費米實驗室繆子反常磁矩實驗（Muon g-2）首批結果今天公佈，以前所未有的測量精度，爲新物理的存在提供了強有力證據。

繆子的“體重”比它的近親電子重200倍，在宇宙射線穿透地球大氣層時自然產生，此外，費米實驗室裏的質子加速器也可以大量製造繆子。

李亮解釋說：“繆子與電子都有內稟磁矩，在外界強磁場的作用下，繆子的磁矩指向會發生進動（擺動）。繆子內稟磁矩的大小決定了其進動頻率的大小，這兩者之間的比值被稱爲g-因子，科學家可以精確計算出這一比值。”

李亮進一步表示，當繆子在磁場中旋轉時，也會與時空最深處起伏不定的量子泡沫（也被稱爲“虛粒子”）相互作用，這些轉瞬即逝的量子泡沫會影響g-因子，使繆子進動的頻率加快或變慢。粒子物理標準模型可以精準預測這一反常的磁矩影響。但如果量子泡沫中包含新的作用力或粒子，g值會進一步改變。

2001年，布魯克海文實驗室測得的g—因子數值比理論值偏大，顯示繆子的行爲可能與標準模型不符，在物理學界引發轟動。20年後，繆子反常磁矩實驗以更高的測量精度再次證實了這一偏差。

據上海交通大學繆子物理團隊許金祥副教授介紹，在最新實驗中，研究人員將費米實驗室的粒子加速器產生的繆子束流送入一個直徑爲15米的超導磁鐵存儲環內，強大的磁鐵使繆子保持在圓形軌道上，利用放在環內側的探測器，可以精確測量繆子的進動頻率，從而獲得了迄今最精確g-因子值，且與布魯克海文實驗得出的測量值相吻合。

許金祥說：“這兩個實驗結果結合起來，顯示繆子行爲與標準模型之間不匹配的置信度爲4.2倍標準方差，僅比5倍標準方差（科學家宣佈發現的最終標準）略小，這是一個非常有力的證據，出現統計誤差的概率僅有四萬分之一。”

“這兩個實驗結果攜手，爲新物理的存在提供了強有力的證據，預示着世界上可能存在新的未知粒子或作用力。”李亮強調。

據悉，這個結果只利用了2018年開始的第一輪實驗獲得的數據，他們仍在分析第二輪、第三輪實驗獲得的數據，目前，第四輪實驗正在進行，第五輪實驗處於計劃中。

李亮指出：“綜合這五輪運行的結果，科學家們將得到g-因子更精確的測量結果，從而更確定地揭示是否存在新粒子或新物理學。”

我們可能看不懂這一成果的內容，但我們要知道：這是物理學界的一件大事！簡單來說，新實驗表明了自然界中的未知粒子，給了繆子額外的推力——而這一發現意味着有50年曆史的粒子物理標準模型的預言失敗。對物理學家來說，這可不是沮喪的結果，而是令人無比興奮的戰鬥的開始，繆子本來就被視爲“新物理的探針”，如今新成果雖不至於徹底顛覆標準模型，但也向所有人指向了一個新的物理學世界。