“我們?cè)?jīng)想過會(huì)引起關(guān)注，這個(gè)結(jié)果肯定非常重要，但還是沒預(yù)料到會(huì)有這么大轟動(dòng)?！?談及美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室公布的繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)（Muon g-2 實(shí)驗(yàn)）首個(gè)結(jié)果，親自參與該項(xiàng)目的上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授李亮告訴 DeepTech。

近日，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室向世人宣布了一項(xiàng)振奮人心的消息——繆子的行為與標(biāo)準(zhǔn)模型理論值不符！

而繆子反常磁矩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有可能會(huì)開辟一個(gè)新的物理研究領(lǐng)域，甚至開啟一個(gè)新的物理紀(jì)元。

圖 | 費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的 Muon g-2 環(huán)（來源：美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

值得一提的是，上海交通大學(xué)于 2012 年成立了繆子物理研究團(tuán)隊(duì)，并參加了費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主持的繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)由李亮教授與該校許金祥副教授領(lǐng)銜。

圖 | 許金祥副教授（左） 、李亮教授（右）（來源：受訪者）

上海交大團(tuán)隊(duì)同時(shí)參與了繆子進(jìn)動(dòng)頻率、精確磁場(chǎng)的測(cè)量、校準(zhǔn)以及束流動(dòng)力學(xué)效應(yīng)等方面的研究，是當(dāng)前合作組中參與各項(xiàng)測(cè)量任務(wù)最全面的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)之一。

對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，學(xué)界可以說是翹首以盼，因?yàn)榭娮臃闯４啪貙?shí)驗(yàn)是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的最嚴(yán)格檢驗(yàn)，不過這個(gè)模型并非那么完美，因?yàn)樽匀唤缈赡苓€存在某種未發(fā)現(xiàn)的粒子、或未知的作用力，因此不論哪一種，都將是震驚物理學(xué)界的發(fā)現(xiàn)。

神奇的繆子

繆子又稱 μ 子，于 1936 年被瑞典裔美國(guó)物理學(xué)家卡爾?安德森發(fā)現(xiàn)，它是一種不穩(wěn)定的基本粒子，其帶有一個(gè)單位負(fù)電荷，靜質(zhì)量為電子的 207 倍（約 105.6 MeV/c），可以看成是超重版的電子。此外，繆子的衰變產(chǎn)物包含電子和中微子。

歷史上，關(guān)于繆子的研究有很多，在楊振寧和李政道的宇稱不守恒理論研究中，也曾見到它的身影。而如今，繆子反常磁矩的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又增添了它的神秘色彩。

所謂 “磁矩” 其實(shí)就是粒子磁性的表現(xiàn)，每個(gè)帶電基本粒子由于自旋，都有自己的磁矩。根據(jù)經(jīng)典理論，基本粒子的磁矩中 g 因子都是 2。

圖 | Fermilab MC-1 大樓中的 Muon g-2 粒子存儲(chǔ)環(huán)（來源：美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

但是，空間的量子泡沫效應(yīng)、以及與其他粒子的相互作用，都會(huì)對(duì)粒子的磁矩產(chǎn)生微小的影響，而這個(gè)微小的量子修正就是反常磁矩（g-2）。

其實(shí)早在 2001 年，就有來自美國(guó)布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行了繆子反常磁矩測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，并得到了與標(biāo)準(zhǔn)模型偏差 3.7 倍標(biāo)準(zhǔn)方差（3.7σ）的結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終于 2006 年以論文形式發(fā)表。

粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型是一套描述強(qiáng)力、弱力、電磁力及它們組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論框架。它隸屬量子場(chǎng)論的范疇，并與量子力學(xué)及狹義相對(duì)論相容。

截止目前，幾乎所有對(duì)以上三種力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，都合乎該理論的預(yù)測(cè)。但是繆子反常磁矩結(jié)果的超出，是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型模型的一個(gè)挑戰(zhàn)，它表明該模型也許并不是那么完美。

時(shí)隔二十年，2021 年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了更加精確的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果與布魯克海文實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本一致，兩者綜合測(cè)量的結(jié)果與理論值的偏差為 4.2σ，這再次表明繆子的反常磁矩與理論模型的預(yù)測(cè)確實(shí)有偏差。

大多數(shù)粒子學(xué)家們一致認(rèn)為，這一結(jié)果相當(dāng)重要，但要成為堅(jiān)實(shí)有力的證據(jù)，還需要達(dá)到 5σ。

“5σ” 是粒子物理學(xué)用來判定發(fā)現(xiàn)的通用標(biāo)準(zhǔn)，也稱 “5 倍標(biāo)準(zhǔn)方差”，取得等于或者高于 5σ 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就能被 “坐實(shí) “為 “鐵證”。

在統(tǒng)計(jì)學(xué)上，這是置信區(qū)間的另一種說法，例如 95% 的置信區(qū)間，其標(biāo)準(zhǔn)方差約為 2.5σ，99.7% 的置信區(qū)間則為 3σ，而 5σ 就意味著只有百萬分之一錯(cuò)誤的概率。

圖 | 在 2013 年檢查 Muon g-2 環(huán)（來源：美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

而此次實(shí)驗(yàn)有如此高的測(cè)量精度，堪稱是當(dāng)今粒子物理學(xué)、乃至整個(gè)物理學(xué)精度最高的實(shí)驗(yàn)之一。

之前布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的核心裝置 “儲(chǔ)存環(huán)” 被運(yùn)到費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，由 7 個(gè)國(guó)家、35 個(gè)研究單位的近 200 個(gè)科研工作者組成的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行建造和調(diào)試，并對(duì)每個(gè)細(xì)節(jié)都提出了最高要求，才達(dá)到這樣的測(cè)量精度。

圖 | 左圖：上一代的繆子反常磁矩實(shí)驗(yàn)于 1990 年代在美國(guó)長(zhǎng)島的布魯克海文實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。2013年人們使用駁船和卡車，將近 700 噸重的儲(chǔ)存環(huán)沿大西洋海岸，橫穿墨西哥灣、然后沿密西西比河和德斯普蘭斯河上運(yùn)送到至費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)的建造；右圖：2013 年 7 月成千上萬的人慶祝它的到來（來源：Quanta Magazine；左圖 Darin Clifton；右圖 Reidar Hahn）

該實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量繆子的磁矩，研究團(tuán)隊(duì)將大量繆子注入到 “儲(chǔ)存環(huán)” 中，并讓它們?cè)谄渲邢裢勇菀粯右贿呅D(zhuǎn)一邊自轉(zhuǎn)（專業(yè)術(shù)語為 “自旋 “）。

由于繆子帶電，它們會(huì)與磁場(chǎng)相互作用，繆子的自旋方向進(jìn)而會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)（專業(yè)術(shù)語為“進(jìn)動(dòng)”），就像陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸心會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)一樣。

通過測(cè)量繆子在磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)頻率，就能測(cè)量其磁性（更準(zhǔn)確地說是磁矩）?？傊?，通過測(cè)量繆子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)的自旋擺動(dòng)頻率，就能測(cè)量出其反常磁矩。

圖 | 繆子的反常磁矩與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)值有較大偏差（來源：Quanta Magazine）

成為顛覆標(biāo)準(zhǔn)模型的有力證據(jù)？

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)值，繆子的磁矩有較大偏差，這與布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)一致。那么本次實(shí)驗(yàn)，會(huì)成為顛覆標(biāo)準(zhǔn)模型的有力證據(jù)么？

中科院理論物理研究所研究員楊金民表示：“此次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度上來說是高了一些，但是其結(jié)果的中心值，較上次向標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言值靠近了一些，所以還需后續(xù)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

如果精度有保證，后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的中心值向標(biāo)準(zhǔn)模型靠近，那么對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型就是有利的。假如未來的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能跟標(biāo)準(zhǔn)模型的偏離達(dá)到 5σ 以上，我才認(rèn)為是顛覆性的或者說是突破性的成果?！?/p>

中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員舒菁告訴 DeepTech：“不過就算有精度更高、足夠多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，也不能在短時(shí)間內(nèi)認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型不適用，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型理論格點(diǎn)計(jì)算值現(xiàn)在并不明朗，我們同樣需要在理論計(jì)算方面提高精度，降低系統(tǒng)誤差，不同小組的計(jì)算結(jié)果達(dá)成共識(shí)。

如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，都在足夠精確的范圍內(nèi)，并且又有統(tǒng)計(jì)意義上的大偏差，這時(shí)才能比較肯定地認(rèn)為存在新的物理規(guī)律。這并不意味著直接否定標(biāo)準(zhǔn)模型，只能證明標(biāo)準(zhǔn)模型存在拓展的空間、和適用范圍。

因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型是一種一般化模型，而在有些極端的領(lǐng)域，可能會(huì)有所偏差。就像在相對(duì)論問世之前，牛頓經(jīng)典力學(xué)也被認(rèn)為是宇宙中普遍適用的物理原理，但在 '高速’ 運(yùn)動(dòng)下，還是要遵從相對(duì)論理論。我們不能說牛頓經(jīng)典力學(xué)是錯(cuò)的，只能說存在適用范圍。

而新的理論基本都是在原有基礎(chǔ)上，在更高層次進(jìn)行拓展。此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能表明的是標(biāo)準(zhǔn)模型少了元素、少了新粒子或者作用力，或者我們對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型的理解需要考慮到更多的修正，而這也是未來理論研究的方向之一?！?/p>

圖 | 繆子反常磁矩兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)值之間的關(guān)系（來源：PHYSICAL REVIEW LETTERS）

提及未來實(shí)驗(yàn)的研究方向，李亮表示，將繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，測(cè)量精度將在明年和后年得到提升，最終結(jié)果很有可能達(dá)到 5σ 以上。

而來自日本的研究團(tuán)隊(duì)也將通過另一種方式對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。如果兩種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相類似，那么就能成為非常牢固的證據(jù)。

繆子反常磁矩的偏差已被發(fā)現(xiàn)了 20 年，之所以直到現(xiàn)在才做出重要結(jié)論，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)難度確實(shí)很大。

李亮坦言：“其一，實(shí)驗(yàn)的精度要求特別高，要達(dá)到百萬分之一以下，而本次實(shí)驗(yàn)幾乎是整個(gè)粒子物理實(shí)驗(yàn)中精度最高的實(shí)驗(yàn)之一，你很難找到比這個(gè)要求更高的實(shí)驗(yàn)，所以要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間；

其二，因?yàn)橐獪y(cè)量繆子，所以必須得有大量產(chǎn)生繆子的地方，而繆子源在全世界也非常少。目前在美國(guó)合適的繆子源只有費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室有，原來的第一個(gè)繆子源在布魯克海文實(shí)驗(yàn)室，但是后來該繆子源被關(guān)閉，所以他們的實(shí)驗(yàn)就沒有繼續(xù)下去。直到后來利用費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器，才建造和鋪設(shè)了一個(gè)新的繆子源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而中國(guó)現(xiàn)在也在廣東的東莞建造繆子源，所以非常期待以后在中國(guó)也能開展繆子相關(guān)的前沿基礎(chǔ)研究。

其三，得到測(cè)量結(jié)果以后還要進(jìn)行細(xì)致的誤差分析，2018 年我們就把數(shù)據(jù)采集完，但直到 2021 年才得出比較明確的結(jié)論，因?yàn)槲覀儽仨毜梅浅Ｐ⌒模鞣N誤差都考慮到，然后才能對(duì)外公布結(jié)果。”

楊金民也表示，這類研究不是說有錢就可以，美國(guó)從幾十年前就開始做實(shí)驗(yàn)，2006 年相關(guān)結(jié)果發(fā)表后，此后十幾年間始終沒有其他國(guó)家做同類實(shí)驗(yàn)。

繆子會(huì)走入尋常百姓家么？

說到繆子和老百姓有何干系，李亮拿相對(duì)論做了一個(gè)比喻：“相對(duì)論，當(dāng)時(shí)也是轟動(dòng)學(xué)界的理論，但也未能在理論面世后的若干年內(nèi)，較大程度地改變?nèi)祟惿?。因?yàn)橄鄬?duì)論描述的是極端高速運(yùn)動(dòng)下的物理規(guī)律，并不適用于日常生活。

但自信息革命以來，特別是人類發(fā)射的衛(wèi)星到了太空以后，由于引力的影響，相對(duì)論的修正效應(yīng)就變得非常明顯。以衛(wèi)星定位系統(tǒng)為例， 如果不考慮相對(duì)論，那就沒有辦法定位。因此，從純理論到科技應(yīng)用改變生活，是需要時(shí)間的?！?/p>

繆子具有很奇特的屬性，這一發(fā)現(xiàn)并不會(huì)立刻改變?nèi)祟惿?。然而前沿基礎(chǔ)科學(xué)的影響雖然會(huì)遲到，但是永遠(yuǎn)不會(huì)缺席。經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展和醞釀，從前沿基礎(chǔ)研究、到科技應(yīng)用、再到改變?nèi)祟惿畹倪^程必然會(huì)發(fā)生，而且每次的影響都非常巨大和深遠(yuǎn)。

而本次研究，就像在探索路上發(fā)現(xiàn)了一條十分隱秘的小路，走的人多了，這條路的去向才會(huì)逐漸清晰。