磁矩|缪子反常磁矩实验或颠覆标准模型理论
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缪子反常磁矩储存环俯视图 图源：费米实验室
近日 ， 在美国费米国家实验室进行的缪子反常磁矩实验（Muon g-2）公布首个结果：基本粒子缪子的行为和标准模型理论预言不相符 ， 该结果与早期美国布鲁克海文实验室的实验结果一致 。这预示着 ， 世界上可能存在新的未知粒子或者作用力 。
“这意味着原本经历了多次考验 ， 堪称完美的标准模型理论也许并不能完全描述粒子世界的规律 ， 也许会有更完美的理论等待人类去发现 。”缪子反常磁矩实验早期成员之一、上海交通大学物理与天文学院教授李亮告诉《中国科学报》 。
粒子物理学界的里程碑时刻
“今天是伟大的一天 ， 不仅我们在期待这一天 ， 整个国际物理学界都在期待这一天的到来 。”4月7日 ， 缪子反常磁矩实验共同发言人、意大利核物理研究所物理学家格拉齐亚诺·韦南佐尼在公布缪子反常磁矩实验结果时说 。
缪子在宇宙射线穿透地球大气层时会自然产生 ， 人们也可以通过粒子加速器（比如位于费米实验室的质子加速器）来大量制造缪子 。与电子类似 ， 缪子也有内禀磁矩 ， 在外界磁场下 ， 缪子的磁矩指向会发生进动或者摇晃 ， 好比旋转的陀螺会发生摇晃一样 。缪子内禀磁矩的大小决定了缪子进动频率的大小 ， 这两者之间的比值被物理学家称为“旋磁比”（也叫g-因子） ， 这个比值能够被理论精确计算 。同时当缪子在磁场中旋转时 ， 它也和时空最深处起伏不定的量子泡沫发生相互作用 。这些转瞬即逝的量子泡沫（也叫“虚粒子”）会影响g-因子 ， 从而使得缪子进动的频率加快或者变慢一点点 。
【磁矩|缪子反常磁矩实验或颠覆标准模型理论】“粒子物理的标准模型可以对这一反常的磁矩影响做出非常精确的预言 。如果量子泡沫中包含新的未知作用力或者粒子 ， 标准模型的预言就将失效 。”该实验参与者之一、上海交通大学长聘教轨副教授许金祥告诉《中国科学报》 。
“对缪子进行超精密测量是个了不起的成就 。缪子反常磁矩实验将对未来若干年寻找超越标准模型的新物理提供指引 。”费米实验室副主任乔·莱肯说 ， “这是粒子物理学界的里程碑时刻 。”
将产生颠覆性影响
“我们测量的是缪子与周围世界的相互作用 。当理论物理学家利用已知的标准模型对这一相互作用进行计算时 ， 他们得到的答案却和我们不一样” 。美国肯塔基大学物理学家、缪子反常磁矩模拟数据组负责人蕾妮·法塔米说 ， “这强烈暗示着在现有理论之外有新东西的存在 ， 而缪子对此非常敏感 。”
20多年前 ， 布鲁克海文实验室的研究人员就发现缪子的行为与标准模型不符的一些迹象 。
此次费米实验室和布鲁克海文实验室的综合测量结果与理论值相差4.2倍标准方差 ， 比5倍标准方差略小 。这已经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 。
“当前测得的这一数值 ， 已经足够说明我们现有的标准模型理论可能只是在特定情况下的一种近似理论 。”李亮说 ， “这意味着我们所在的空间可能有尚未发现的新粒子存在 ， 或者有新的作用力存在 。而在这一新发现之前 ， 物理学的四种作用力以及物理世界究竟有些什么粒子已经基本达成了共识 。一旦新发现的可能性被‘坐实’ ， 将对粒子物理乃至整个科学领域产生颠覆性的影响 。”
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