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费米实验室的μ介子g-2实验测量结果，使粒子物理学更接近理论与实验的最终较量。

此前，物理学家们对μ介子的一种名为异常磁矩的特性进行了全新测量，其精度比之前的结果提高了2倍。

2023年8月10日，在费米国家加速器实验室从事μ介子g-2实验的国际科学家合作小组宣布了这一备受瞩目的最新测量结果。新的测量数值支撑了他们在2021年4月宣布的第一个结果，并将为理论与实验之间长达20多年的较量画上句号。

“我们确实在探索新的领域，我们正在以前所未有的精度确定μ介子磁矩。”费米实验室的资深科学家布伦丹·凯西表示，他自2008年以来一直从事μ介子g-2实验的研究工作。

物理学家用一种被称为“标准模型”的理论来描述宇宙是如何在最基本的层面上运行的。根据标准模型进行预测并将其与实验结果进行比较，物理学家可以判定该理论是否完整，或者是否存在标准模型之外的物理现象。

μ介子是一种基本粒子，与电子相似，但质量约为电子的200倍。像电子一样，μ介子有一个微小的内部磁铁，在磁场作用下，μ介子会像陀螺的轴一样前冲或摆动。μ介子在特定磁场中的前冲速度取决于μ介子的磁矩，通常用字母g表示；最简单的理论预测是g应等于2。

g与2的差异，或者g减去2，可以归因于μ介子与它周围量子泡沫中的粒子的相互作用。这些粒子忽隐忽现，就像亚原子的“舞伴”一样，抓住μ介子的“手”，改变μ介子与磁场的相互作用方式。标准模型包含了所有已知的“舞伴”粒子，并预测了量子泡沫如何改变g。物理学家们为可能存在尚未发现的粒子而兴奋不已，这些粒子有助于g-2的值，并将打开探索物理学的新窗口。

根据前三年的数据，μ介子g-2合作组织宣布的新实验结果是g-2=0.00233184110+/-0.00000000043(stat.)+/-0.00000000019(syst.)

对g-2的测量相当于百万分之0.20的精度。μ介子g-2的合作小组在提交给《物理评论快报》的一篇论文中描述了这一结果。

通过这次测量实验，合作小组已经达到了减少一种特定类型的不确定性的目标：由实验缺陷引起的不确定性，即系统不确定性。

“这次测量的结果是一项令人难以置信的实验成就。把系统的不确定性降到如今这个水平是非常困难的，我们没想到这么快就能实现。”μ介子g-2合作小组的联合发言人彼得·温特说道。

虽然总的系统不确定性已经超过了设计目标，但不确定性的更大方面——统计不确定性——是由分析的数据量驱动的。这次公布的结果比第一次实验的结果又增加了两年的额外数据量。一旦科学家们将六年的所有数据都纳入分析，费米实验室的实验将达到其最终的统计不确定性，该合作项目计划在未来几年内完成。

为了进行测量，μ介子g-2实验将一束μ介子反复送入一个直径50英尺的超导磁存储环。在那里，μ介子以接近光速的速度循环了大约1000次。排列在环上的探测器让科学家们能够确定μ介子的前冲速度。物理学家还必须精确测量磁场强度，然后确定g-2的值。

费米实验室的实验重复使用了一个储存环，该存储环最初是为2001年结束的布鲁克海文国家实验室前身μ介子g-2实验而建造的。2013年，合作方将存储环从纽约长岛运到伊利诺伊州巴达维亚，全程3200英里。在接下来的四年里，合作小组利用改进的技术、仪器和模拟组装了该实验。费米实验室实验的主要目标是将g-2实验的不确定性，相比布鲁克海文的实验结果降低四倍。

“我们的新测量结果非常令人兴奋，因为它使我们远远超出了布鲁克海文实验的灵敏度?！北热獯罄液宋锢硌芯克绞衾锲执笱Ы淌凇⒎衙资笛槭姚探樽觛-2实验的联合发言人格拉齐亚诺·维南佐尼说道。

除了更大的数据集外，费米实验室实验本身的改进，也增强了这一最新的g-2测量结果?？鞅硎荆骸按拥谝荒瓴杉莸降诙旰偷谌?，我们改进了很多东西。实际上我们一直在不断改进实验?！?br />

在2023年7月9日结束的最后三年数据采集中，这项实验真的是“全力以赴”。经过六年的数据收集，合作小组关闭了μ介子束，实验结束了。合作小组实现了收集数据集的目标，该数据集的规模是布鲁克海文数据集的21倍之多。

物理学家可以以令人难以置信的精度计算出已知标准模型“舞伴”对μ介子g-2的影响。计算考虑了电磁力、弱核力和强核力，包括光子、电子、夸克、胶子、中微子、W和Z玻色子及希格斯玻色子。如果标准模型是正确的，这种超精确的预测应该与实验测量相匹配。

计算μ介子g-2的标准模型预测是非常具有挑战性的。2020年，μ介子g-2理论倡议宣布了当时可用的μ介子g-1的最佳标准模型预测。但是，对预测数据进行新的实验测量，以及基于不同理论方法——晶格规理论的新计算，都与2020年的计算结果产生了矛盾。μ介子g-2理论研究计划的科学家们的目标是，在未来几年内提供一种新的、改进的预测方法，同时考虑这两种理论方法。

μ介子g-2合作小组包括来自7个国家33个机构的近200名科学家，迄今已有近40名学生在该实验的基础上获得了博士学位。合作小组将在接下来的几年里分析最后三年的数据。维南佐尼表示：“我们希望在完成这项工作后，精度能再提高两倍。”

合作小组预计将于2025年发布对μ介子磁矩的最终、最精确的测量结果，这将是标准模型理论和实验之间的终极较量。在此之前，物理学家们对μ介子g-2进行了新的改进测量，这是朝着最终物理目标迈出的重要一步。

来源 | 《Symmetry》期刊官网

编译 | ?槟榔郭