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科学家将重新测量μ介子磁性 为新物理学打开大门

2018-02-07 09:35 来源:中国科学报 
2018-02-07 09:35:50来源:中国科学报作者:责任编辑:吴劲珉

研究人员重新测量μ介子的磁性。图片来源:FERMILAB

  物理学家计划对新物理的“老问题”进行探索。位于美国伊利诺伊州的费米国家加速器实验室的一个研究组将开始精确测量μ介子的磁性。此前的实验表明,μ介子的磁性或比粒子物理学标准模型预测的稍大一些。

  它将给研究人员带来几十年来想要的东西——超越标准模型的物理证据,这有望翻开物理学的新篇章。

  μ介子是一种带负电,由一个夸克和一个反夸克构成,受到强相互作用力作用的强子。其寿命为2.20微秒,在此后由于弱相互作用力的作用衰变。

  “物理学现在可以从大自然中获得‘一点爱’。”这项实验的共同发言人、西雅图华盛顿大学物理学家David Hertzog说。由于世界上最大的粒子加速器——位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机(LHC),未能发现超越标准模型的粒子,物理学家感到越来越受到阻碍。

  科学家希望通过这一名为“μ介子g-2”的实验获得梦寐已求的结果。μ介子g-2可以提供一些间接证据,证明这些粒子过于沉重,无法由LHC产生。

  μ介子是电子更重且不稳定的“表亲”。由于它带电荷,因此会在磁场中旋转。每个μ介子会像微型条形磁铁一样被磁化,将一个μ介子放在与其磁化方向垂直的磁场中,其磁极将像罗盘指针一样旋转或进动。

  乍一看,理论预测,在磁场中,μ介子的磁性应该以与粒子本身速度相同的速度旋进,因此,如果它开始向飞行方向极化,它就会一直被锁在轨道上。然而,由于量子不确定性,μ介子会在旋转过程中不断释放并再吸收其他粒子。这些粒子在突然来访和离开的过程中产生的烟雾增加了μ介子的磁性,从而使它的进动速度比本身速度略快。

  由于μ介子可释放和重新吸收任何粒子,因此,它的磁性会标识所有可能的粒子——甚至是LHC无法制造出的太重的新粒子。伊利诺伊大学理论家Aida El-Khadra说,其他带电粒子也可以对这个看不见的粒子进行采样。但是,她补充道,“μ介子的亮点是足够轻,从而长寿且重。”

  1997年到2001年,布鲁克海文国家实验室的g-2团队通过将数千个粒子投射到直径45米的夹在超导磁体之间的环形真空室,对μ介子的磁性进行了测量。

  在几百微秒内,带正电的μ介子会衰变为正电子,这些粒子往往会在μ介子偏振方向上被吐出来。物理学家可以通过观察环边缘的探测器检测正电子,从而观察μ介子的进动。

  2001年,g-2团队首次报告称其磁性比标准模型预测的稍大一点。随后理论学家在标准模型预测中发现了一个简单的数学错误,所以,这一结果很快便被淹没。当该团队在2004年再次测量时,这种差异又出现了。不过,此时理论学家已改进了标准模型计算。

  法国南巴黎大学理论家Michel Davier说,他们一直在努力解释μ介子释放和重新吸收称为强子的粒子的过程。他说,通过使用电子—正电子对撞机的数据,理论学家设法减少了最大的不确定性。

  目前,物理学家测量出这个差异信号的强度在3.5西格玛以内——小于能被称为发现所需要的5西格玛,但足以吸引研究人员再次尝试。

  2013年,g-2团队转战费米实验室。他们将磁场均匀度提高了3倍,以便生成更纯粹的μ介子束。波士顿大学g-2物理学家Lee Roberts说:“这是一个全新的实验,所有事情进展良好。”

  Roberts表示,数年来,团队的目标是收集比在布鲁克海文实验室期间多21倍的数据。Hertzog希望明年能获得足够数据得出测量结果,这可能将差异推到5西格玛以上。

  μ介子最终会成为通向新物理学的大门吗?加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室理论学家JoAnne Hewett犹豫了。“在我的物理生涯中,每一个与标准模型偏差3西格玛的结果都消失了。”她说,“我会保持谨慎的乐观。”

[责任编辑:吴劲珉]

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