新物理时代要诞生了吗？上海交大团队助力国际合作重大发现

经过长时间的期待，美国费米国家实验室的缪子反常磁矩实验（Muon g-2实验)首个结果已于4月7日公布：基本粒子缪子的行为和标准模型理论预言不相符。

“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。”参与这一国际合作大项目的上海交通大学物理与天文学院教授李亮在接受记者采访时这样说。

上海交通大学物理与天文学院教授李亮和李政道研究所副教授许金祥带领学生与博士后参与这一研究项目。今天记者连线了这两位学者。

接近“临界点”的差异预示着有更完美的标准理论模型等待发现

据许金祥介绍，缪子是电子的近亲，质量比电子重200倍，缪子在宇宙射线穿透地球大气层时会自然产生，也可以通过粒子加速器大量制造。与电子类似，缪子也有内禀磁矩。在外界强磁场下，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。

他说，我们所处的空间并非完全是“空”的，其中有很多不断产生、湮灭的“虚粒子”，这也被称为量子泡沫。这些虚粒子会与缪子发生相互作用从而影响缪子的g-因子并改变缪子进动的频率。因此通过测量缪子的磁性变化，可以深入了解粒子所处的时空结构。

标准模型理论迄今为止都近乎完美地预言了粒子的一切行为，包括缪子反常磁矩的影响。。

但是，在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。“这意味着我们所在的空间可能有尚未发现的新粒子存在，或者有尚未发现的作用力存在。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，在物理学界已经基本达成了共识。一旦新发现的可能性被完全‘坐实’，将对粒子物理乃至整个科学领域产生颠覆性的影响。”李亮告诉记者。

此次费米实验室公布的首批数据显示，缪子的反常磁矩与标准模型预言的数值相差相差4.2倍标准方差，而且出现偶然误差的概率仅有四万分之一。李亮说：“5倍标准方差可算是一个临界点，一旦达到5倍，就意味着我们粒子物理学界的“重大发现”的标准。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。”

延续10多年的跨国合作

当下不少物理学领域的研究项目都是跨国合作项目，科学领域的国际合作变得越来越重要。据介绍，缪子反常磁矩国际合作组目前由7个国家、35个研究单位的近200个科研工作者组成。上海交通大学于2012年成立缪子物理团队并参加了费米实验室的缪子反常磁矩实验。

仅仅在运行的第一年（2018年），缪子反常磁矩实验采集的数据量就超过了以前所有实验的总和。现在缪子反常磁矩国际合作组已经分析了超过八十亿个缪子的数据。“大约一年后，还会公布一批结果。”许金祥告诉记者，实验的第二期和第三期数据的分析正在进行中，同时实验还在进行第四期的取数，接下来还会有第五期的运行。通过分析全部五期的数据，科学家们能够得到更加精确的测量结果，从而对新物理理论的追寻更加充满信心。

李亮是费米反常磁矩实验早期成员之一，现任离线数据组共同总召集人和合作组秘书长，主导离线数据生成、分析以及仿真模拟相关方面的工作。许金祥于2015年加入缪子反常磁矩实验，2019年加入李政道研究所，担任束流动力学修正效应组共同召集人，负责运用超算资源进行海量数据模拟并针对主要系统误差开发了新颖的数据分析方法。他说：“最激动人心的时刻莫过于2017年年底时，我们的探测器得到第一批试运行的数据，当时我已经连续工作了36个小时，当第一张收集数据的图标打印出来时，合作组的所有成员都激动万分，纷纷在上面签下了自己的名字。”

在今年2月25日当天正式数据分析结果出来时，是凌晨12点，身处世界各地的100多个成员都在线参加了结果的揭晓。许金祥说，当数据分析结果公布那一刻，可以听到来自世界各地的欢呼声。

交大团队前期在量能器的研发和束流测试方面做出了重要贡献，后期在探测器模拟、束流动力学优化与设计、事件重建、能量和时间的刻度、离线数据分析等实验的多方面有较突出的贡献，同时还参与了精确磁场的测量、校准方面的研究，是当前合作组中参与各项测量任务最全面的实验团队之一。

交大团队成员们对缪子反常磁矩第一期物理数据的缪子进动频率（六个主要独立分析结果之一）和磁场标定测量（三个主要独立分析结果之一），以及束流动力学修正（四个主要修正之一）都进行了详细的数据分析，即将作为合作组首批物理结果发表在《物理评论快报》（PRL）和3篇《物理评论》(PRA,PRAB,PRD)上并担任文章的主要作者。

　　作者：姜澎

责任编辑：樊丽萍

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