4月7日UIUC：费米实验室的Muon g-2实验的初步结果加强了新物理学的证据
2021-04-07 17:47
#学业新闻#费米国家加速器实验室主持的Muon g-2实验的第一个结果表明，称为μ子的基本粒子的行为方式没有粒子物理学的标准模型所预测。这些结果证实了早在布鲁克海文国家实验室进行的同名实验。结合起来，这两个结果表明有力的证据表明我们关于亚原子世界的最佳理论模型是不完整的。一种可能的解释是存在未发现的粒子或力。 Muon g-2环位于电子机架，μ子束线和其他设备之间的探测器大厅中。 这个令人印象深刻的实验在负华氏450度下运行，并且研究了介子在磁场中传播时的进动（或摆动）。 Reidar Hahn / Fermilab摄影 Muon g-2环位于电子机架，μ子束线和其他设备之间的探测器大厅中。这个令人印象深刻的实验在负华氏450度下运行，并且研究了介子在磁场中传播时的进动（或摆动）。Reidar Hahn / Fermilab摄影 期待已久的美国能源部费米国家加速器实验室的Muon g-2实验的第一结果表明，被称为μon的基本粒子的行为方式并未被科学家的最佳理论即粒子物理学的标准模型所预测。这一具有里程碑意义的结果，以前所未有的精确度做出，证实了数十年来一直困扰着研究人员的差异。 伊利诺伊大学香槟分校的物理学家在产生新结果中起了重要作用，这证实了二十年前的结果：μ子的行为无法被科学家的最佳理论即粒子物理学的标准模型所预测。 UIUC荣誉物理学教授，布鲁克海文实验成员Paul Debevec说：“产生如此诱人的结果非常令人兴奋。” “我们知道我们将不得不再次进行实验，并且做得更好。当时我们还不知道要花20年才能取得新的结果。” 二十年前，布鲁克海文国家实验室的一项实验（其中还包括伊利诺伊大学的几位物理学家）宣布，该μ子在磁场中的行为不像预期的那样。意外的行为可能会告诉我们有关宇宙的新知识吗？测量可能出问题了吗？还是期望？ 当前的实验发现有力的证据表明，介子偏离了标准模型的计算，这可能暗示了令人兴奋的新物理学。介子充当进入亚原子世界的窗口，并且可能与尚未发现的粒子或力相互作用。今天，费米实验室的Muon g-2实验（发音为gow-on g减2）提出了新结果。 UIUC的博士后研究员Esra Barlas Yucel说：“我们一直在进行这项实验多年，努力获取数据并确保我们的结果正确。” “与世界分享这一新闻真是令人兴奋。” “当我刚开始进行该实验时，我无法想象我们将如何产生精度为百万分之0.5的测量。真是难以置信。UIUC的研究生Cristina Schlesier说，他是Muon g-2团队的一员，我们通过许多敬业的科学家的团队合作取得了成功。 介子的质量约为其表亲电子的200倍。当宇宙射线撞击地球的大气层时，自然会产生μ子，费米实验室的粒子加速器可以大量产生它们。像电子一样，介子的作用就像它们具有微小的内部磁体一样。在强磁场中，此磁体的方向像旋转陀螺仪或陀螺仪一样进动或摆动。内部磁体的强度决定了介子在外部磁场中进动的速率，并由物理学家称为g因子的数字来描述。可以超高精度计算该数字。 当介子通过实验时，它们还会与亚原子粒子的量子泡沫相互作用，这些原子泡沫会突然出现并消失。与这些短寿命粒子的相互作用会影响g因子的值，从而导致μ子的进动加快或减慢得非常慢。标准模型可以非常精确地预测这种所谓的异常磁矩。但是，如果量子泡沫包含标准模型未考虑的其他力或粒子，则将进一步调整介子g因子。 UIUC对该项目的博士后研究Sudeshna Ganguly说：“我们的测量结果告诉我们该介子如何与宇宙中的所有其他物质相互作用。” “当理论家使用标准模型中所有已知的力和粒子来计算相同的数量时，我们不会得到相同的答案。这可能意味着该结果正在告诉我们尚未观察到的宇宙的一部分。” 对μ子行为的计算与测量同样重要。这是UIUC科学家发挥关键作用的另一个地方。 UIUC物理学教授，Muon g-2 Theory Initiative联合主席，UIUC物理学教授Aida El Khadra说：“提出该实验时，主要问题之一是我们是否能够以足够高的精度计算理论期望。”全球范围内将科学家聚集在一起以产生最精确的计算的努力。“近年来，我们取得了长足的进步，相信随着实验精度的提高，我们将继续提高理论计算的精度。这一结果是几年激动人心的科学的第一步。” 布鲁克海文（Brookhaven）的前身实验于2001年结束，暗示了μ子的行为与标准模型不同。费米实验室的Muon g-2实验得出的新测量结果与布鲁克黑文（Brookhaven）发现的值非常吻合，并且与迄今最精确的测量结果偏离了理论。 介子的可接受的理论值为： g-因子：2.00233183620±0.00000000086 异常磁矩：0.00116591810±0.00000000043 今天，由Muon g-2合作宣布的新的实验性世界平均水平的结果是： g-因子：2.00233184122±0.00000000082 异常磁矩：0.00116592061±0.00000000041 Fermilab和Brookhaven的综合结果的意义为4.2 sigma，略低于科学家要求发现的5 sigma（或标准差），但仍具有令人信服的新物理学证据。结果出现统计波动的机会是40,000。 Fermilab实验重用了Brookhaven实验的主要组件，这是直径50英尺的超导磁存储环。2013年，它从长岛被陆路和海上陆运了3200英里，到达芝加哥郊区，在那里科学家们可以利用费米实验室的粒子加速器并产生美国最强的μ子束。在接下来的四年中，研究人员进行了实验。调谐和校准了难以置信的均匀磁场; 开发新技术，仪器和模拟；并彻底测试了整个系统。 Muon g-2实验将一束of子发送到存储环中，在那里它们以接近光速的速度循环数千次。衬在环上的探测器使科学家能够确定μ子的进动速度。 在运行的第一年，即2018年，费米实验室实验收集的数据超过了所有先前的μong因子实验的总和。Muon g-2合作来自7个国家/地区的35个机构的200多名科学家现已完成分析，首次运行时就超过了80亿μs。 费米实验室科学家克里斯·波利说：“自布鲁克海文实验结束以来已经过去了20年，这真是令人满足，最终解决了这个谜团。”在布鲁克海文实验中。 实验第二和第三轮的数据分析正在进行中，第四轮正在进行中，第五轮正在计划中。结合所有五个运行的结果，将为科学家提供对μ子摆动的更精确测量，从而更加确定地揭示出新的物理学是否隐藏在量子泡沫中。 “到目前为止，我们仅分析了该实验最终收集的不到6％的数据。尽管这些最初的结果告诉我们，标准模型之间存在着令人着迷的差异，但我们将在未来几年中学到更多。” UIUC博士后实验的亚当·施雷肯伯格（Adam Schreckenberger）说。 UIUC物理学教授兼费米实验室首席研究官凯文·皮茨（Kevin Pitts）表示：“遏制介子的微妙行为是一项了不起的成就，它将在未来的几年中指导物理研究超越标准模型。” “这是粒子物理学研究的激动人心的时刻，费米实验室处于前沿。” 如果您对物理系有疑问或对其他故事有疑问，请联系Siv Schwink，217.300.2201
伊利诺伊州 | 伊利诺伊大学香槟分校
