μg-2粒子加速器的实验结果不能用我们现有的物理理论来解释

费米实验室的μ介子g-2实验

μ介子g-2环位于其探测器大厅中,位于电子机架、μ介子束线和其他设备之间。信贷:Reidar Hahn,Fermilab

美国能源部费米国家加速器实验室的μ子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是科学家迄今为止最好的理论所无法预测的粒子物理的标准模型。这个地标结果最近发布了身体检查信件,确认几十年来一直在研究人员啃的差异。

MuOns偏离标准模型计算的强有力证据可能会暗示激动人心的新物理学。该实验中的μONs充当窗户进入沉袋世界,并且可以与尚未发现的颗粒或力相互作用。

“这个实验有点像侦探故事,”团队成员David Hertzog,A华盛顿大学物理学教授和实验的创始发言人。“我们已经分析了来自Fermilab的Muon G-2的首次运行的数据,并发现单独的标准模型无法解释我们发现的内容。可能需要其他东西,可能需要超出标准模型。“

MUON G-2实验是伊利诺伊州费尔米尔(Fermilab)的国际合作,以及来自七个国家的35个机构的200多名科学家。UW科学家通过精密MuOn物理组是团队的一个组成部分 - 构建实验的敏感仪器和传感器,以及领先的数据分析努力。除了赫特宗,目前的UW教师和牵头科学家还包括Peter Kammel,物理学研究教授;埃里克·斯旺森是UW的实验核物理学和天体物理学或CENPA中心的研究工程师;Jarek Kaspar,研究科学家;和Alejandro Garcia,物理学教授。

氟氟晶体

氟化铅晶体,用于UW设计和建造的探测器,用于测量μ子g-2实验的μ子衰变产物。信用:华盛顿大学

“没有我们的CENPA技术人员的非凡奉献和专业知识,uW定制制造的仪表将无法与我们的邮局和研究生密切合作,”赫格特格说。

μ介子的质量大约是它的表亲电子的200倍。当宇宙射线撞击地球大气层时,它们自然发生。费米实验室的粒子加速器可以产生大量的粒子。和电子一样,μ子的行为就像它们有一个微小的内部磁铁。在强磁场中,μ介子磁铁的进动方向或“摆动”,很像旋转陀螺的轴。内部磁铁的强度决定了μ子在外部磁场中进动的速率,并用一个称为g因子的数字来描述。这个数字可以超高精度计算。

当μON在muOn g-2磁体中循环时,它们也与突出和摆脱存在的子颗粒的“量子泡沫”相互作用。与这些短寿命颗粒的相互作用会影响G型因子的值,导致μONs的进程稍微加速或减速。标准模型以高精度预测该所谓的“异常磁矩”的值应该是什么。但是,如果量子泡沫含有由标准模型的额外力或颗粒不占,那将进一步调整muon g-fact。

赫佐格当时在伊利诺伊大学,是布鲁克黑文国家实验室前身实验的主要科学家之一。这一努力于2001年结束,并暗示μ介子的行为与标准模型不一致。费米实验室μ介子g-2实验的最新测量结果与布鲁克海文发现的值非常吻合,并与迄今为止最精确的测量结果偏离了理论。

μ的接受的理论值是:

  • g系数:2.00233183620(86)
  • 异常磁矩:0.00116591810(43)

μ介子g-2合作组织今天公布的新实验世界平均结果如下:

  • g系数:2.00233184122(82)
  • 异常磁矩:0.00116592061(41)

Fermilab和Brookhaven的综合结果表明,在显著性为4.2西格玛的情况下,与理论预测存在差异,略低于科学家认为是发现的5西格玛或5个标准差。但它仍然是新物理学的有力证据。结果出现统计波动的可能性约为1/40000。

“这一结果来自FERMILAB MUON G-2实验中的粒子物理学中最受欢迎的结果是过去几年,”助理教授Martin Hoferichter说:瑞士伯尔尼大学以及预测标准模型值的理论协作成员。“在将近十年之后,看到这项巨大的努力终于取得成果,真是太好了。”

埃里克·斯旺森

华盛顿大学研究工程师埃里克·斯旺森(Erik Swanson)在μ介子g-2实验中使用测量磁场的设备。信用:华盛顿大学

正在进行中的费米实验室实验重用了布鲁克海文实验的主要部件,一个直径为50英尺的超导磁储存环。2013年,它从长岛经海陆运输3200英里到芝加哥郊区,在那里科学家可以利用费米实验室的粒子加速器,产生美国最强烈的μ子束。在接下来的四年里,研究人员完成了这项实验;调整和校准了难以置信的均匀磁场;开发新技术、仪器和模拟;并对整个系统进行了全面测试。

μ介子g-2实验将一束μ介子送入储存环,在那里它们以接近光速的速度循环数千次。环内的探测器使科学家能够确定μ子“摆动”的速度

费米实验室的许多传感器和探测器都是在UW建造的,比如测量进入储存环的μ子束的仪器,以及检测μ子衰变时产生的指示粒子的仪器。数十名科学家——包括教员、博士后研究人员、技术人员、研究生和本科生——已经在华盛顿大学组装了这些敏感仪器,然后在费米实验室安装和监测它们。

UW科学家也曾参与Muon G-2合作周围的理论工作。

“这一新结果的前景引发了一场协调的理论努力,为我们的实验同事提供了一个稳健、一致的标准模型预测,”Hoferichter说,他在2015年至2019年间担任华盛顿大学研究助理教授。“未来的运行将推动进一步的改进,如果μ介子的反常磁矩中隐藏着超出标准模型的物理现象,就可以得出结论。”

在其第一年的运作中,2018年,Fermilab实验比所有先前的Muon G-Factor实验所收集的数据更多。MUON G-2协作现已完成分析来自第一次运行超过80亿美元的运动。UW团队对此努力的核心,导致四个博士学位迄今为止。

在实验的第二个和第三次运行的数据分析;第四次运行正在进行中,计划第五次运行。结合所有五次运行的结果将使科学家们将穆森的“摆动”的更精确测量,揭示了新物理学在量子泡沫内隐藏在量子泡沫中。

“到目前为止,我们已经分析了实验最终将收集到的数据不到6%,”费米实验室科学家Chris Polly说,他是目前实验的共同发言人,也是布鲁克黑文实验期间在赫兹伯格领导下的伊利诺伊大学研究生。“虽然这些初步结果告诉我们,与标准模型存在着有趣的差异,但我们将在未来几年学到更多。”

Kammel说:“有了这些令人兴奋的结果,我们的团队,特别是我们的学生,非常热衷于努力推动剩余的数据分析和未来的数据采集,以实现我们的最终精度目标。”。

有关这项研究的更多信息:

参考文献:B.Abi等人(μ介子g−合作),2021年4月7日,身体检查信件
DOI:10.1103 / physrevlett.126.141801

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