未被发现的粒子 介子自旋的故事

美国能源部(DOE)国家实验室的科学家正在合作测试介子的磁性。实验可以指出我们目前理解之外的物理存在，包括未发现的粒子。这项实验是在1999年在美国能源部的布鲁克海文国家实验室开始的，当时科学家们测量了muon的自旋进动。它的自旋改变方向速度与理论预测不同。Argonne国家实验室和费米国家加速器实验室的科学家，以及来自其他25家机构的合作者，正在以更高的精确度重新创造实验，以证实或推翻先前的结果。介子就像电子的大哥哥，它们的电荷相同，但是介子的质量是它的200倍。两者也有相同的自旋，这是一种量子力学性质，它决定了粒子在磁场存在时的行为。

Argonne国家实验室和费米国家加速器实验室的科学家，以及来自25个其他机构的合作者，正在以更高的精确度重现之前的实验。图片：Fermi National Accelerator Laboratory / Reidar Hahn

带有自旋的粒子就像小磁铁一样，当它们被放置在磁场中时，它们的旋转方向会发生圆周运动，就像一个旋转的陀螺仪。粒子自旋进动的速度是由一个称为g因子的量决定的，它依赖于粒子的自旋和它运动的磁场强度。在现代量子力学理论中，真空并不是空的。它充满了虚拟粒子的气泡，出现并迅速消失。这些虚拟粒子与真实粒子之间的相互作用，如介子，可以改变真实粒子与磁场的相互作用，影响其g因子。理论物理学家根据我们目前对自然界基本结构的理解，计算出了所有已知的粒子对介子g因子的影响，但布鲁克海文的科学家们所做的测量与他们所期望的每百万分之数不同。

这种差异，如果它坚持在新的实验中，将指向全新的物理——粒子物理学家的一个令人兴奋的发现。Argonne的物理学家Peter Winter说：如果预测值和实测值之间确实存在差异，这进一步证明，我们目前对宇宙内容的理解标准模型是不完整的，意想不到的影响可能是由于一个未被发现的粒子。在费米实验室的新实验中，由于存在强磁场，光束将通过一个大而空心的环在一个圆内移动。同样的磁场也会导致介子在环周围旋转时的旋进。科学家可以通过检测介子的自旋进动和知道环中的磁场强度来计算g因子。为了达到理想的精度，自旋进动频率和磁场强度都必须以低于70的不确定性来测量。

Argonne的研究小组已经承担了测量磁场到如此高精度的责任，实验的目的是控制任何可能扭曲我们精确测量的系统不确定性。这种精确度要求非常灵敏的探测设备，科学家们使用由Argonne的再生核磁共振成像仪产生的高度稳定和孤立的磁场进行校准。在他们校准了探测器之后，科学家们将其中的17个放在了一个圆形的小车上，在费米实验室的圆环上移动。电车在10000点左右的范围内测量能量场，在环内的任何地方都能绘制出磁场强度的地图。电车靠在地铁两侧的两条铁轨上，科学家们用两根连接在电动线轴上的电缆将手推车绕着圆环移动。Argonne博士后研究人员Ran Hong说：这台车必须在真空中移动。

因此控制它的运动和接收来自探测的数据是非常具有挑战性的。为了尽可能少地干扰场地，只有一根绝缘信号电缆将电车连接到外面的世界。该电缆将信息发送到购物车，以引导它绕过环路，并将数据从探针发送回控制室。在布鲁克海文使用的旧系统，实验室的实验用模拟信号发送信息，但是阿尔贡的科学家和工程师已经将信号数字化，以增加获得的数据量，对更多原始数据的访问允许更好的分析，而且它的精确度提高了10倍。由于数字数据集较大，电缆只能一次向一个方向发送信息，必须在发送电车指令和接收数据之间切换，大约每20毫秒方向开关。

科学家们已经建立了6年的Muon g-2实验。今年将开始接受官方数据。这个实验将持续几个月，测量大约1万亿个介子的旋进。每隔2到3天，实验就会暂停，让电车测量磁场，而在真空室外面的较小的探头会在实验运行时，随时估计磁场。与试图直接探测未知粒子的大规模实验不同，方法是寻找间接影响，而这些间接效应会在很小的范围内改变某些东西，通过非常精确地测量这个因素，可以推断出是否有新的东西。如果新数据证实了之前的测量结果，科学家们计划进行更精确的实验。对这些新数据的分析可能会给新物理学的本质带来一种味道，并可能表明需要构造什么样的检测器来直接观察潜在的新粒子。

博科园-科学科普｜来自：阿贡国家实验室