美国能源部的μ子G-2实验提供了令人兴奋的新物理学证据

期待已久的美国能源部费米国家加速器实验室的μ介子 g-2实验的第一结果显示，被称为μ子的基本粒子的行为方式并未被科学家的最佳理论即粒子物理学的标准模型所预测。 这一具有里程碑意义的结果，以前所未有的精确度做出，证实了数十年来一直困扰着研究人员的差异。

介子偏离标准模型计算的有力证据可能暗示了令人兴奋的新物理学。 介子充当进入亚原子世界的窗口，并可能与尚未发现的粒子或力相互作用。

“今天是不平凡的一天，不仅我们而且整个国际物理学界都期待已久，”意大利国家核物理研究所μ介子 g-2实验联合发言人兼物理学家格拉齐亚诺·韦南佐尼说。 “我们的年轻研究人员功不可没，他们的才华，思想和热情使我们取得了令人难以置信的成就。”

介子的质量约为其表亲电子的200倍。 当宇宙射线撞击地球的大气层时，自然会产生μ子，费米实验室的粒子加速器可以大量产生它们。 像电子一样，介子的作用就像它们具有微小的内部磁体一样。 在强磁场中，μ子磁石的方向进动或摆动，就像旋转陀螺仪或陀螺仪的轴一样。 内部磁体的强度决定了介子在外部磁场中进动的速率，并由物理学家称为g因子的数字来描述。 可以超高精度计算该数字。

当介子在μ介子g-2磁体中循环流动时，它们还会与亚原子粒子的量子泡沫相互作用，这些亚原子粒子突然出现并消失。 与这些短寿命粒子的相互作用会影响g因子的值，从而导致μ子的进动加快或减慢得非常慢。 标准模型可以非常精确地预测这种所谓的异常磁矩。 但是，如果量子泡沫包含标准模型未考虑的附加力或粒子，则将进一步调整介子g因子。

我们测量的这个量反映了μ介子与宇宙中其他一切物质的相互作用。但是，当理论家使用标准模型中所有已知的力和粒子计算相同的量时，我们得到的答案并不相同，证明μ介子对某些不符合我们最佳理论的东西很敏感。

美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的前一项实验于2001年结束，它暗示μ介子的行为与标准模型不符。费米实验室的μ介子g-2实验的新测量结果与布鲁克海文发现的值非常吻合，并且偏离了迄今为止最精确测量的理论。

μ介子可接受的理论值为：

g系数：2.00233183620（86）

异常磁矩：0.00116591810（43）

[括号中的不确定性]

μ介子g-2合作组织宣布的新的实验世界平均结果是：

g系数：2.00233184122（82）

异常磁矩：0.00116592061（41）

费米实验室（Fermilab）和布鲁克海文（Brookhaven）的综合结果表明，在4.2西格玛的显著性上与理论存在差异，略低于科学家要求的5西格玛（或标准差），但仍然是新物理学令人信服的证据。结果出现统计波动的概率约为1/40000。

费米实验室重复使用了布鲁克海文实验的主要部件，一个直径50英尺的超导磁储存环。2013年，它从长岛经海陆运输3200英里到芝加哥郊区，在那里科学家可以利用费米实验室的粒子加速器，产生美国最强烈的μ子束。在接下来的四年里，研究人员组装了这个实验；调整和校准了一个难以置信的均匀磁场；开发了新技术、仪器和模拟；并彻底测试了整个系统。

μ 介子 g-2实验将一束 μ 介子发射到储存环中，在那里它们以接近光速循环数千次。环上的探测器使科学家能够确定 μ 介子的进动速度。

费米实验室在2018年开始运作的第一年，收集到的数据比之前所有 μ 介子 g 因子实验的总和还要多。来自7个国家35个研究机构的200多名科学家参与了 μ 介子 g-2的合作，现在已经完成了对80多亿 μ 介子第一次运动的分析。

第二次和第三次试验的数据分析正在进行中，第四次试验正在进行中，第五次试验正在计划中。综合所有五次运行的结果，科学家们将能够更精确地测量 μ 介子的摆动，从而更确定地揭示量子泡沫中是否隐藏着新的物理学。

到目前为止，分析的数据还不到实验最终收集数据的6% 。尽管这些最初的结果告诉人们，与标准模型有一个有趣的区别，将在未来几年学到更多的东西,