上海交通大学与费米实验室合作在缪子反常磁矩实验上再创世界纪录BOB半岛综合

　　BOB半岛综合在费米实验室进行的缪子反常磁矩实验发布了迄今为止最精确的缪子反常磁矩测量结果，这为揭示缪子反常现象背后的新物理线索奠定了坚实的基础。

　　2023年8月10日，缪子反常磁矩国际合作组向全世界公布了最新测量结果，其测量精度比2021年4月的首个测量结果提高了2倍，两个结果的测量中心值高度吻合。这一备受期待的测量结果令人振奋，为最终解决20多年来的缪子反常磁矩疑难铺平了道路。

　　缪子反常磁矩储存环的俯视图。2023年8月10日缪子反常磁矩实验的第二个测量结果比2021年4月7日的第一个测量结果精确了两倍BOB半岛综合。图源：费米实验室。

　　“我们的确是在探索未知领域。我们对缪子磁矩进行了史上最精确的测量”费米实验室的资深科学家布伦丹·凯西说，他自2008年以来一直参与缪子反常磁矩实验，是缪子反常磁矩国际合作组的上一任共同发言人BOB半岛综合。

　　物理学家使用“标准模型”理论来描述宇宙的基本运行规律。通过将实验测量结果与标准模型的理论预测相比较，物理学家可以判断标准模型是否完整，或者是否存在超出标准模型的新物理。

　　缪子是与电子类似的基本粒子，其质量大约为电子200倍。与电子一样，缪子具有微小的磁矩，在磁场中它会像旋转的陀螺一样产生进动。缪子的进动频率与缪子的磁矩直接相关，后者通常用字母g表示；在“正常”情况下，g应该等于2。

　　然而缪子并不是孤立的存在于宇宙之中。在宇宙时空深处存在大量转瞬即逝的量子泡沫（也叫“虚粒子”）。这些虚粒子忽隐忽现，就像“舞伴”一样，时常抓住缪子的“手”BOB半岛综合，对缪子与磁场的相互作用产生影响，从而改变缪子的进动频率和g的大小。g与2之间的差值 （“g减去2”，即“反常磁矩”） 就是来自于缪子与这些粒子的相互作用。标准模型可以精确预言所有的已知“舞伴”粒子带来的影响，以及修正后的g-2值。但可能还有更多标准模型所不知道的未知粒子，而这些未知粒子将明显改变g-2的值。这表明缪子反常磁矩（g-2）对新物理非常敏感，这为探索新物理开辟了一条康庄大道，这点让科学家们尤其兴奋。

　　缪子周边的量子泡沫影响了缪子与磁场的相互作用，使得g值不完全等于2。图源：PHD Comics。

　　基于前三年的运行数据，缪子反常磁矩国际合作组公布的新实验结果是（即将发表在《物理评论快报》上）：

　　该结果的测量精度达到了惊人的千万分之二，特别是测量的系统性误差已经超过了实验的预期指标BOB半岛综合。“这次的测量结果是一个令人难以置信的成就，” 缪子反常磁矩国际合作组的共同发言人彼得·温特说。“将系统性误差降到如此低的水平是一件大事，我们之前都没想到能够这么快就实现目标。”

　　由于2023年发布的结果中采用了更多的数据，缪子反常磁矩合作组的最新结果比2021年首次公布的结果精确了两倍以上。图源：费米实验室。

　　测量的系统性误差来自于实际测量中一些不够完善的地方。尽管系统误差已经超过了实验的预期指标，但实际测量中更大的误差来自于“统计误差”，它是由实验采集的数据量决定的。今天公布的测量结果比2021年首次的测量结果增加了两年的数据量。费米实验室的缪子反常磁矩实验总共运行了六年。在接下来的几年中，缪子反常磁矩国际合作组将把所有采集的数据都分析完毕以达到最终的统计精度。

　　费米缪子反常磁矩实验将缪子束送入一个直径为14米的超导磁铁存储环中。缪子以接近光速的高速在储存环中转圈约1000次并发生衰变。科学家们利用在储存环周边放置的探测器来测量缪子进动的频率，同时精确测量磁场的强度，进而确定g-2的测量值。费米缪子反常磁矩实验的最终目标是将反常磁矩的测量误差减少到早期布鲁克海文实验结果的四分之一左右，达到千万分之一的水平。

　　“我们的新测量结果非常令人振奋，因为它远远超出了布鲁克海文实验的灵敏度，” 缪子反常磁矩国际合作组的共同发言人，利物浦大学以及意大利国家核物理研究所比萨分院教授格拉齐亚诺·韦南佐尼说。

　　除了使用了更多的数据，最新的测量结果还有着多方面的改进。“和第一年相比，我们在第二、三年的实验运行期间完善了很多地方，” 布伦丹·凯西说。“我们一直在不断地改进实验。”

　　费米缪子反常磁矩实验已经于2023年7月9日停止取数，总共运行了六年，采集的总数据量比布鲁克海文实验的数据大了21倍以上。

　　在理论计算方面，基于标准模型对缪子反常磁矩的计算精度已经达到了令人难以置信的程度。这些计算考虑了电磁相互作用力、弱相互作用力和强相互作用力，包括光子、电子、夸克、胶子、中微子、W和Z玻色子以及希格斯玻色子。如果标准模型是正确的，这些超级精确的计算结果应该与实验结果相吻合。

　　精确计算缪子反常磁矩在标准模型中的预言值非常具有挑战性。2020年，缪子反常磁矩理论团队公布了缪子反常磁矩的标准模型最佳预测值。但是，当科学家们使用不一样的理论计算方法“格点规范场论” 进行计算时得到了与2020年的预测值不完全一致的结果。缪子反常磁矩理论团队的科学家们计划在接下来的几年中仔细研究这两种不同的理论计算方法，并提供一个新的最佳预测值。

　　缪子反常磁矩合作组由来自7个国家的34个机构的近200名科研工作者组成。迄今为止在缪子反常磁矩实验上有近40名学生进行了博士生研究并获得了博士学位。

　　上海交通大学于2012年成立缪子物理团队并作为初始单位之一参加了费米缪子反常磁矩实验，现有李亮教授与许金祥(Kim Siang Khaw)副教授等共10名成员。交大团队与费米国家实验室在缪子反常磁矩测量方面开展了长期密切的合作。交大团队是合作组中参与测量任务最全面的实验团队之一：对缪子反常磁矩的反常进动频率（主导七个独立分析之一）、磁场校准和标定工作（主导二个独立分析之一），以及束流动力学修正（主导五个主要修正之一）都做出了突出的贡献，并担任即将发表的《物理评论快报》文章的主要作者。

　　“合作组内对新的测量结果是一片欢呼声，这是一大批科研工作者废寝忘食艰苦努力换来的胜利结晶。但是很快我们的重心就会放到对新的更多数据的分析上。”上海交通大学物理与天文学院的李亮教授说。“和前两批测量结果相比，我们大大加快了后期数据的处理速度。目前合作组有望在接下来的1-2年内一口气完成最后三年的数据分析，这将把测量精度至少再提高两倍。”

　　李亮教授是费米反常磁矩实验的初始成员之一，现任离线数据组共同总召集人和合作组秘书长，主导离线数据处理、数据分析以及仿真模拟相关方面的工作。

　　“现在看来我在七月底决定远赴利物浦大学参加‘揭盲’仪式确实是明智之举。亲自置身现场，与两年前由于新冠疫情导致的线上体验相比，那种沉浸感是无法言喻的。其中那出乎意料的小插曲（真想知道可以问我）确实令人心跳加速。回首过去的两年，尽管常面对近12小时的时差，我们团队已逐渐习惯于在李所的每日早晚汇报，与合作组在凌晨的深度讨论BOB半岛综合。接下来，我们目标明确：计划在2025年前完成数据分析，进一步提升实验精度，将我们的研究成果镌刻在粒子物理经典教材中。”上海交通大学李政道研究所的许金祥副教授说。

　　许金祥教授于2015年加入缪子反常磁矩实验，2019年加入李政道研究所，曾担任缪子反常进动频率和束流动力学修正效应组共同召集人，现任合作组执行委员会成员，负责运用超算进行海量数据模拟并针对主要系统误差开发新颖的数据分析方法。

　　交大团队的其他成员有李柄志博士（毕业）、胡天齐博士生、曾永浩博士生、卢泽嘉博士生、储兆林硕士（毕业）、胡越恺硕士生、Jun Kai Ng硕士生、陈程博士后以及埃雷梅·瓦列托夫博士后（出站）和李迪开博士后（出站）。

　　缪子反常磁矩国际合作组预计将在2025年发布缪子反常磁矩的最终测量结果，这将是标准模型理论值与实验测量值之间的终极决赛。在此之前，现在物理学家们有了一个新的、更为精确的缪子反常磁矩测量结果，这是朝着赛道终点迈出的重要一步。

　　缪子反常磁矩实验2023年最新结果文章（已提交到《物理评论快报》上待发表）：