美国费米实验室进行的缪子反常磁矩实验,显示出缪子(μ子)的行为与标准模型理论预测不相符!上海交通大学的缪子物理团队参与了费米实验室缪子反常磁矩实验(Muon g-2),首批测量结果于2021年4月9日公布。该实验以前所未有的测量精度,为新物理的存在提供了强有力证据。 缪子的质量大约是电子的200倍,在宇宙射线穿透地球大气层时自然产生。此外,费米实验室里的质子加速器也可以大量制造缪子。 据上海交通大学李亮教授介绍:缪子与电子都有内禀磁矩,在外界强磁场的作用下,缪子的磁矩指向会发生进动(摆动)。缪子内禀磁矩的大小决定了其进动频率的大小,这两者之间的比值被称为g-因子。科学家可以精确计算出这一比值。当缪子在磁场中旋转时,也会与时空最深处起伏不定的量子泡沫(即所谓的“虚粒子”)相互作用,这些转瞬即逝的量子泡沫会影响g-因子,使缪子进动的频率加快或变慢。粒子物理标准模型可以精准预测这一反常的磁矩影响。但是,如果量子泡沫中包含新的作用力或粒子,那么g值将会进一步改变。 2001年,布鲁克海文实验室测得的g-因子数值比理论值偏大,显示缪子的行为可能与标准模型不符,这在物理学界引发轰动。20年后,缪子反常磁矩实验以更高的测量精度再次证实了这一偏差。 上海交大缪子物理团队的许金祥副教授说,在最新实验中,研究人员将费米实验室的粒子加速器产生的缪子束流送入一个直径为15米的超导磁铁存储环内,强大的磁铁使缪子保持在圆形轨道上,利用放在环内侧的探测器,可以精确测量缪子的进动频率,从而获得了迄今最精确的g-因子值,且与布鲁克海文实验得出的测量值相吻合。 “把这两个实验结果结合起来,显示缪子行为与标准模型之间不匹配的置信度为4.2倍标准方差,仅比5倍标准方差(判别新发现的最终标准)略小。这是一个非常有力的证据,出现统计误差的概率仅有四万分之一。”许金祥说,“这两个实验结果携手,为新物理的存在提供了强有力的证据,预示着世界上可能存在新的未知粒子或作用力。” 费米实验室日前公布的这个结果是2018年开始的第一轮实验获得的数据,他们仍在分析第二轮、第三轮实验获得的数据。第四轮实验目前正在进行,而第五轮实验尚处于计划中。 科学家们期待着通过五轮运行将得到g-因子更精确的测量结果,从而更确定地揭示是否存在新粒子或新物理学。 (来源:科学网) 解释:“μ子反常磁矩疑难” 作者:王清扬
费米实验室进行的缪子反常磁矩实验,与2001年布鲁克海文实验室的测量相比较,他们以更高的精度测量了μ子的反常磁矩的数值,从而更加精确地展示了实验与理论计算的巨大差距。这个差距可用下图示意:绿色的数值是标准模型的计算结果,紫色的数值是实验结果,二者的差距达到了4.2σ。4.2σ是个什么概念?不严谨地说,就是因巧合导致判断有误的概率只有几万分之一。虽然还没有达到粒子物理5σ的“发现”标准,但这个理论与实验的偏差也是很显著的了。
为什么标准模型的预言和实验结果有这么大差距?无非两种可能:
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