我們?nèi)绾伟l(fā)現(xiàn)新粒子或自然力的暗示
七年前，一塊巨大的磁鐵在陸地和海洋上運輸了3,200英里(5,150公里)，以期研究一種名為μon的亞原子粒子。
介子與電子緊密相關，電子繞每個原子運動并構成物質(zhì)的構造塊。電子和介子都具有通過我們當前描述亞原子，量子世界和粒子物理學的標準模型的最佳科學理論精確預測的性質(zhì)。
整整一代的科學家都致力于精確地測量這些特性。在2001年的一項實驗中，暗示該介子的一個特性與標準模型所預測的不完全相同，但需要進行新的研究來確認。物理學家將實驗的一部分移至Fermilab的新加速器，并開始獲取更多數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在，一項新的測量結果已確認了初始結果。這意味著可能存在標準模型中未考慮的新粒子或新力。如果是這種情況，則必須修改物理定律，而且沒人知道這可能會導致什么。
最新的結果來自國際合作，我們都是我們的一部分。我們的團隊一直在使用粒子加速器來測量稱為μ子磁矩的特性。
每個介子在暴露于磁場時的行為都像一塊細小的條形磁鐵，這種效應稱為磁矩。介子還具有稱為“自旋”的固有特性，并且自旋和介子的磁矩之間的關系稱為g因子。電子和μ的“ g”被預測為2，因此g減去2(g-2)應該被測量為零。這就是我們正在費米實驗室進行的測試。
對于這些測試，科學家使用了加速器，這與Cern在大型強子對撞機中使用的技術相同。費米實驗室加速器產(chǎn)生大量的μ子，并非常精確地測量它們與磁場的相互作用。
介子的行為受“虛擬粒子”影響，“虛擬粒子科普中國”從真空中彈出或消失。它們短暫地存在，但是持續(xù)足夠長的時間，以影響μ子與磁場的相互作用并改變測得的磁矩，盡管幅度很小。
標準模型非常精確地預測出這種效果是什么，而不是百萬分之一。只要我們知道哪些粒子在真空中冒出或冒出氣泡，實驗和理論就應該匹配。但是，如果實驗和理論不匹配，那么我們對虛擬粒子湯的理解可能是不完整的。
新粒子
存在新粒子的可能性并非閑置的推測。這樣的粒子可能有助于解釋物理學中的幾個大問題。例如，為什么宇宙中存在如此之多的暗物質(zhì)(導致星系旋轉得比我們預期的快)，以及為什么大爆炸中幾乎所有反物質(zhì)都消失了?
迄今為止的問題是，沒有人看到任何這些提議的新粒子。曾希望Cern的LHC能夠在高能質(zhì)子之間的碰撞中產(chǎn)生它們，但尚未被觀察到。
新的測量方法使用的技術與本世紀初在紐約布魯克海文國家實驗室進行的實驗相同，該技術本身也遵循了Cern的一系列測量方法。
Brookhaven實驗測量出與標準模型之間的差異，該標準模型有5,000的可能性是統(tǒng)計fl幸。這幾乎與連續(xù)12次投擲硬幣全都抬起頭來的概率相同。
這真是令人著迷，但遠遠低于發(fā)現(xiàn)的門檻，發(fā)現(xiàn)門檻通常要求要超過170萬個，或者連續(xù)21個投擲。為了確定新物理學是否正在發(fā)揮作用，科學家們必須將實驗的靈敏度提高四倍。
為了進行更好的測量，必須在2013年將位于實驗中心的磁鐵從長島沿海和陸路移動3,200英里，移至芝加哥郊外的費米實驗室，費米實驗室的加速器可能會產(chǎn)生大量的μ子。
放置到位后，就可以使用最新的檢測器和設備圍繞磁鐵進行新的實驗。muon g-2實驗于2017年開始收集數(shù)據(jù)，該實驗是來自Brookhaven實驗的退伍與新一代物理學家的合作。
來自費米實驗室的第一年數(shù)據(jù)得出的新結果與布魯克海文實驗的測量結果一致。合并結果會加劇在實驗測量與標準模型之間存在分歧的情況?，F(xiàn)在，機會是大約40,000的差異，這是偶然的幸災樂禍-仍比黃金標準發(fā)現(xiàn)門檻低。
大型強子對撞機
有趣的是，最近在Cern進行的LHCb實驗觀察也發(fā)現(xiàn)可能與標準模型存在偏差。令人興奮的是，這還涉及介子的屬性。這次是從較重的粒子產(chǎn)生μ子和電子的方式上有所不同。兩種速率在標準模型中預期是相同的，但是實驗測量發(fā)現(xiàn)它們是不同的。
綜上所述，LHCb和Fermilab的結果加強了以下情況：我們已經(jīng)觀察到標準模型預測失敗的第一個證據(jù)，并且自然界中會發(fā)現(xiàn)新的粒子或作用力。
為了最終確認，這需要來自Fermilabμon實驗和Cern的LHCb實驗的更多數(shù)據(jù)。未來幾年將會有結果。Fermilab已經(jīng)擁有的數(shù)據(jù)是當前正在分析的最新結果的四倍，Cern已開始獲取更多數(shù)據(jù)，并且正在構建新一代的μon實驗。對于物理學來說，這是一個激動人心的時代。
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