“我們曾經(jīng)想過會引起關(guān)注，這個結(jié)果肯定非常重要，但還是沒預(yù)料到會有這么大轟動?！?談及美國費米國家實驗室公布的繆子反常磁矩實驗（Muon g-2 實驗）首個結(jié)果，親自參與該項目的上海交通大學物理與天文學院教授李亮告訴 DeepTech。
近日，美國費米實驗室向世人宣布了一項振奮人心的消息——繆子的行為與標準模型理論值不符！
而繆子反常磁矩的實驗結(jié)果，有可能會開辟一個新的物理研究領(lǐng)域，甚至開啟一個新的物理紀元。
圖 | 費米國家加速器實驗室的 Muon g-2 環(huán)（來源：美國費米國家實驗室）
值得一提的是，上海交通大學于 2012 年成立了繆子物理研究團隊，并參加了費米國家實驗室主持的繆子反常磁矩實驗，團隊由李亮教授與該校許金祥副教授領(lǐng)銜。
圖 | 許金祥副教授（左） 、李亮教授（右）（來源：受訪者）
上海交大團隊同時參與了繆子進動頻率、精確磁場的測量、校準以及束流動力學效應(yīng)等方面的研究，是當前合作組中參與各項測量任務(wù)最全面的實驗團隊之一。
對于該實驗，學界可以說是翹首以盼，因為繆子反常磁矩實驗是對標準模型的最嚴格檢驗，不過這個模型并非那么完美，因為自然界可能還存在某種未發(fā)現(xiàn)的粒子、或未知的作用力，因此不論哪一種，都將是震驚物理學界的發(fā)現(xiàn)。
神奇的繆子
繆子又稱 μ 子，于 1936 年被瑞典裔美國物理學家卡爾?安德森發(fā)現(xiàn)，它是一種不穩(wěn)定的基本粒子，其帶有一個單位負電荷，靜質(zhì)量為電子的 207 倍（約 105.6 MeV/c），可以看成是超重版的電子。此外，繆子的衰變產(chǎn)物包含電子和中微子。
歷史上，關(guān)于繆子的研究有很多，在楊振寧和李政道的宇稱不守恒理論研究中，也曾見到它的身影。而如今，繆子反常磁矩的實驗結(jié)果，又增添了它的神秘色彩。
所謂 “磁矩” 其實就是粒子磁性的表現(xiàn)，每個帶電基本粒子由于自旋，都有自己的磁矩。根據(jù)經(jīng)典理論，基本粒子的磁矩中 g 因子都是 2。
圖 | Fermilab MC-1 大樓中的 Muon g-2 粒子存儲環(huán)（來源：美國費米國家實驗室）
但是，空間的量子泡沫效應(yīng)、以及與其他粒子的相互作用，都會對粒子的磁矩產(chǎn)生微小的影響，而這個微小的量子修正就是反常磁矩（g-2）。
其實早在 2001 年，就有來自美國布魯克海文實驗室的團隊，進行了繆子反常磁矩測量的實驗，并得到了與標準模型偏差 3.7 倍標準方差（3.7σ）的結(jié)果，該實驗結(jié)果最終于 2006 年以論文形式發(fā)表。
粒子物理的標準模型是一套描述強力、弱力、電磁力及它們組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論框架。它隸屬量子場論的范疇，并與量子力學及狹義相對論相容。
截止目前，幾乎所有對以上三種力的實驗結(jié)果，都合乎該理論的預(yù)測。但是繆子反常磁矩結(jié)果的超出，是對標準模型模型的一個挑戰(zhàn)，它表明該模型也許并不是那么完美。
時隔二十年，2021 年，費米實驗室進行了更加精確的實驗，其結(jié)果與布魯克海文實驗的結(jié)果基本一致，兩者綜合測量的結(jié)果與理論值的偏差為 4.2σ，這再次表明繆子的反常磁矩與理論模型的預(yù)測確實有偏差。
大多數(shù)粒子學家們一致認為，這一結(jié)果相當重要，但要成為堅實有力的證據(jù)，還需要達到 5σ。
“5σ” 是粒子物理學用來判定發(fā)現(xiàn)的通用標準，也稱 “5 倍標準方差”，取得等于或者高于 5σ 的實驗結(jié)果，就能被 “坐實 “為 “鐵證”。
在統(tǒng)計學上，這是置信區(qū)間的另一種說法，例如 95% 的置信區(qū)間，其標準方差約為 2.5σ，99.7% 的置信區(qū)間則為 3σ，而 5σ 就意味著只有百萬分之一錯誤的概率。
圖 | 在 2013 年檢查 Muon g-2 環(huán)（來源：美國費米國家實驗室）
而此次實驗有如此高的測量精度，堪稱是當今粒子物理學、乃至整個物理學精度最高的實驗之一。
之前布魯克海文實驗室的核心裝置 “儲存環(huán)” 被運到費米實驗室，由 7 個國家、35 個研究單位的近 200 個科研工作者組成的研究團隊，對實驗設(shè)備進行建造和調(diào)試，并對每個細節(jié)都提出了最高要求，才達到這樣的測量精度。
圖 | 左圖：上一代的繆子反常磁矩實驗于 1990 年代在美國長島的布魯克海文實驗室進行。2013年人們使用駁船和卡車，將近 700 噸重的儲存環(huán)沿大西洋海岸，橫穿墨西哥灣、然后沿密西西比河和德斯普蘭斯河上運送到至費米實驗室進行新實驗的建造；右圖：2013 年 7 月成千上萬的人慶祝它的到來（來源：Quanta Magazine；左圖 Darin Clifton；右圖 Reidar Hahn）
該實驗的目的是測量繆子的磁矩，研究團隊將大量繆子注入到 “儲存環(huán)” 中，并讓它們在其中像陀螺一樣一邊旋轉(zhuǎn)一邊自轉(zhuǎn)（專業(yè)術(shù)語為 “自旋 “）。
由于繆子帶電，它們會與磁場相互作用，繆子的自旋方向進而會發(fā)生偏轉(zhuǎn)（專業(yè)術(shù)語為“進動”），就像陀螺轉(zhuǎn)動時的軸心會發(fā)生偏轉(zhuǎn)一樣。
通過測量繆子在磁場中的進動頻率，就能測量其磁性（更準確地說是磁矩）?？傊?，通過測量繆子在磁場中旋轉(zhuǎn)時的自旋擺動頻率，就能測量出其反常磁矩。
圖 | 繆子的反常磁矩與標準模型預(yù)測值有較大偏差（來源：Quanta Magazine）
成為顛覆標準模型的有力證據(jù)？
實驗結(jié)果表明，對比標準模型預(yù)測值，繆子的磁矩有較大偏差，這與布魯克海文國家實驗室的發(fā)現(xiàn)一致。那么本次實驗，會成為顛覆標準模型的有力證據(jù)么？
中科院理論物理研究所研究員楊金民表示：“此次的實驗結(jié)果精度上來說是高了一些，但是其結(jié)果的中心值，較上次向標準模型的預(yù)言值靠近了一些，所以還需后續(xù)實驗來驗證。
如果精度有保證，后續(xù)實驗結(jié)果的中心值向標準模型靠近，那么對標準模型就是有利的。假如未來的實驗結(jié)果，能跟標準模型的偏離達到 5σ 以上，我才認為是顛覆性的或者說是突破性的成果?！?/p>
中國科學院理論物理研究所研究員舒菁告訴 DeepTech：“不過就算有精度更高、足夠多的實驗數(shù)據(jù)支撐，也不能在短時間內(nèi)認為標準模型不適用，因為標準模型理論格點計算值現(xiàn)在并不明朗，我們同樣需要在理論計算方面提高精度，降低系統(tǒng)誤差，不同小組的計算結(jié)果達成共識。
如果實驗結(jié)果和理論計算，都在足夠精確的范圍內(nèi)，并且又有統(tǒng)計意義上的大偏差，這時才能比較肯定地認為存在新的物理規(guī)律。這并不意味著直接否定標準模型，只能證明標準模型存在拓展的空間、和適用范圍。
因為標準模型是一種一般化模型，而在有些極端的領(lǐng)域，可能會有所偏差。就像在相對論問世之前，牛頓經(jīng)典力學也被認為是宇宙中普遍適用的物理原理，但在 '高速’ 運動下，還是要遵從相對論理論。我們不能說牛頓經(jīng)典力學是錯的，只能說存在適用范圍。
而新的理論基本都是在原有基礎(chǔ)上，在更高層次進行拓展。此次實驗結(jié)果可能表明的是標準模型少了元素、少了新粒子或者作用力，或者我們對于標準模型的理解需要考慮到更多的修正，而這也是未來理論研究的方向之一?！?/p>
圖 | 繆子反常磁矩兩次實驗結(jié)果和標準模型預(yù)測值之間的關(guān)系（來源：PHYSICAL REVIEW LETTERS）
提及未來實驗的研究方向，李亮表示，將繼續(xù)進行相關(guān)實驗研究和數(shù)據(jù)分析，測量精度將在明年和后年得到提升，最終結(jié)果很有可能達到 5σ 以上。
而來自日本的研究團隊也將通過另一種方式對其進行驗證。如果兩種實驗的結(jié)果相類似，那么就能成為非常牢固的證據(jù)。
繆子反常磁矩的偏差已被發(fā)現(xiàn)了 20 年，之所以直到現(xiàn)在才做出重要結(jié)論，是因為實驗難度確實很大。
李亮坦言：“其一，實驗的精度要求特別高，要達到百萬分之一以下，而本次實驗幾乎是整個粒子物理實驗中精度最高的實驗之一，你很難找到比這個要求更高的實驗，所以要花費很長時間；
其二，因為要測量繆子，所以必須得有大量產(chǎn)生繆子的地方，而繆子源在全世界也非常少。目前在美國合適的繆子源只有費米實驗室有，原來的第一個繆子源在布魯克海文實驗室，但是后來該繆子源被關(guān)閉，所以他們的實驗就沒有繼續(xù)下去。直到后來利用費米實驗室的加速器，才建造和鋪設(shè)了一個新的繆子源進行實驗。而中國現(xiàn)在也在廣東的東莞建造繆子源，所以非常期待以后在中國也能開展繆子相關(guān)的前沿基礎(chǔ)研究。
其三，得到測量結(jié)果以后還要進行細致的誤差分析，2018 年我們就把數(shù)據(jù)采集完，但直到 2021 年才得出比較明確的結(jié)論，因為我們必須得非常小心，各種誤差都考慮到，然后才能對外公布結(jié)果。”
楊金民也表示，這類研究不是說有錢就可以，美國從幾十年前就開始做實驗，2006 年相關(guān)結(jié)果發(fā)表后，此后十幾年間始終沒有其他國家做同類實驗。
繆子會走入尋常百姓家么？
說到繆子和老百姓有何干系，李亮拿相對論做了一個比喻：“相對論，當時也是轟動學界的理論，但也未能在理論面世后的若干年內(nèi)，較大程度地改變?nèi)祟惿?。因為相對論描述的是極端高速運動下的物理規(guī)律，并不適用于日常生活。
但自信息革命以來，特別是人類發(fā)射的衛(wèi)星到了太空以后，由于引力的影響，相對論的修正效應(yīng)就變得非常明顯。以衛(wèi)星定位系統(tǒng)為例， 如果不考慮相對論，那就沒有辦法定位。因此，從純理論到科技應(yīng)用改變生活，是需要時間的?！?/p>
繆子具有很奇特的屬性，這一發(fā)現(xiàn)并不會立刻改變?nèi)祟惿?。然而前沿基礎(chǔ)科學的影響雖然會遲到，但是永遠不會缺席。經(jīng)過一段時間的發(fā)展和醞釀，從前沿基礎(chǔ)研究、到科技應(yīng)用、再到改變?nèi)祟惿畹倪^程必然會發(fā)生，而且每次的影響都非常巨大和深遠。
而本次研究，就像在探索路上發(fā)現(xiàn)了一條十分隱秘的小路，走的人多了，這條路的去向才會逐漸清晰。
