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宇宙射线中的μ子
编者按
世界是由什么组成的？物理学家们认为，在质子、中子、电子和夸克等基本粒子之外，也许还有其他未发现的粒子 。这些难以观测到的粒子，可能在空间里极短暂地产生和湮灭，改变空间的能量，带来 “量子涨落效应” 。
虽然目前人类的物理水平不能直接测量这些变化，但或许可以通过已知粒子的 “异动” 探测 。
其中一个 “异动” 指标，是电子的“反常磁矩” 。它是电子一个系数的实际值与标准模型理论值的偏差 。
在类似电子的缪子（muon，也写作μ子）上，这个偏差更容易测量 。如果能证实缪子的反常磁矩Muon (g-2)/2的测量值和根据标准模型计算出来的值有确定的偏差，而非测量上的误差，就能确认未知粒子的存在 。那么经典物理模型将被打破 。
2001年，美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）曾经测得缪子的反常磁矩值为11 659 202(14)(6) X 10^{-10}，这一数值与理论物理学家的计算非常接近 [1] 。2006年，同一实验室测得数值为11 659 208.0(5.4)(3.3) x 10^-10，与经典物理理论数值的偏差相差2.2 - 2.7个标准差 [2] 。两者相差越大，则说明这个值偏离标准模型的结果越远 。
但是，一个完全颠覆现有物理理论的结果，需要相差5个以上的标准差 。
在美国费米国立加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory, FNAL），一个200多人的研究团队致力于实验测量缪子的反常磁矩 。2021年4月7日，FNAL宣布，他们测量的结果与布鲁克海文实验室的结果一致，如果把两个实验结果结合在一起，那么缪子的反常磁矩的实验测量值与标准模型相差4.2个标准差 [3] 。这一结果虽然没有完全颠覆现有理论，但已非常接近 。
洪然目前在美国阿贡国家实验室任加速器控制工程师，他于2016年加入FNAL的实验团队，负责实验仪器的设计、调试、运行、故障排除和数据分析 。
本文中，他解释了这一发现的原理和意义，回应了相关质疑，并分享了他参与前沿物理探索时的思考 。
撰文 | 洪 然（美国阿贡国家实验室）
责编 | 王一苇
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这些天，Muon g-2实验刷屏了 。4月7日结果公开后，我们的实验结果在多个国家各种媒体上如雨后春笋般涌现 。大老板 Chris Polly（编者注：费米国立加速器实验室物理学家，缪子g-2项目发言人之一）总结，目前英文媒体的报道标题就有三页纸 。
μ子这个原来只在核物理、粒子物理圈被人熟悉的粒子，突然在整个 *** 彻底火了一把 。但是，看着满屏幕的抢眼标题，诸如“物理学恐被颠覆……” “物理学家最后的尝试……” “物理学大地震……” “第五种力的重大证据……”，我开始担心起来 。虽然这些吸引眼球的标题们为各个平台赚了很多流量，也让我们研究组名声大振，但是科学家们严谨求是的形象可能毁于类似的夸张报道 。
近日，我已经听到不少批评的声音 。这些声音主要针对目前实验上或者理论计算上可能出现的错误，以及花费如此大的人力物力去研究μ子反常磁矩的意义 。之前我已经在《妙子漫谈》[4] 一文中谈了很多自己的经历和感受 。在这篇文章里，我想更多介绍一下这项研究的意义，和近年来合作组所有成员为了得到这个结果所做的巨大努力 。
μ子，基本粒子 “二代”
作为之一个被发现的 “二代” 粒子，μ子的发现是物理学史上的重要里程碑 。在此之前，人们根本没料到，这样不稳定的基本粒子会存在 。
它的发现也充满了戏剧性 。英国物理学家约瑟夫·汤姆逊（Joseph Thomson）在19世纪末发现了电子后，人类开始了对亚原子世界的探索 。随后科学家们又相继发现了组成原子核的质子和中子 。那时，质子、中子、电子就是组成世间万物的基本粒子 。当时要解决的一大问题就是质子和中子之间的强相互作用应该怎么用数学描述 。
随着量子力学的发展，科学家对电磁相互作用有了更深刻的理解 。粒子间的电磁相互作用可以描述为“两个带电粒子交换光子”这个图景 。那么质子和中子间的强相互作用是否也是它们在交换什么粒子呢？
日本物理学家汤川秀树在1935年提出一种模型，简单说就是质子中子之间会交换一种强相互作用的媒介粒子 。他称之为“介子”并估计了它的质量 。
1936年，美国物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）在宇宙射线中发现了一种新粒子，质量和汤川秀树预言的差不多 。当时人们以为这个新的粒子就是强相互作用的媒介子，所以称之为μ介子 。但是进一步研究表明，它不参与原子核内的强相互作用，而是更像电子 。从那以后人们就称它为μ子，并把它归到 “轻子” 这一类 。
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