未被發現的粒子，介子自旋的故事

美國能源部(DOE)國家實驗室的科學家正在合作測試介子的磁性。實驗可以指出我們目前理解之外的物理存在，包括未發現的粒子。這項實驗是在1999年在美國能源部的布魯克海文國家實驗室開始的，當時科學家們測量了muon的自旋進動。它的自旋改變方向速度與理論預測不同。Argonne國家實驗室和費米國家加速器實驗室的科學家，以及來自其他25家機構的合作者，正在以更高的精確度重新創造實驗，以證實或推翻先前的結果。介子就像電子的大哥哥，它們的電荷相同，但是介子的質量是它的200倍。兩者也有相同的自旋，這是一種量子力學性質，它決定了粒子在磁場存在時的行為。

帶有自旋的粒子就像小磁鐵一樣，當它們被放置在磁場中時，它們的旋轉方向會發生圓周運動，就像一個旋轉的陀螺儀。粒子自旋進動的速度是由一個稱為g因子的量決定的，它依賴於粒子的自旋和它運動的磁場強度。在現代量子力學理論中，真空並不是空的。它充滿了虛擬粒子的氣泡，出現並迅速消失。這些虛擬粒子與真實粒子之間的相互作用，如介子，可以改變真實粒子與磁場的相互作用，影響其g因子。理論物理學家根據我們目前對自然界基本結構的理解，計算出了所有已知的粒子對介子g因子的影響，但布魯克海文的科學家們所做的測量與他們所期望的每百萬分之數不同。

這種差異，如果它堅持在新的實驗中，將指向全新的物理——粒子物理學家的一個令人興奮的發現。Argonne的物理學家Peter Winter說：如果預測值和實測值之間確實存在差異，這進一步證明，我們目前對宇宙內容的理解標準模型是不完整的，意想不到的影響可能是由於一個未被發現的粒子。在費米實驗室的新實驗中，由於存在強磁場，光束將通過一個大而空心的環在一個圓內移動。同樣的磁場也會導致介子在環周圍旋轉時的旋進。科學家可以通過檢測介子的自旋進動和知道環中的磁場強度來計算g因子。為了達到理想的精度，自旋進動頻率和磁場強度都必須以低於70的不確定性來測量。

Argonne的研究小組已經承擔了測量磁場到如此高精度的責任，實驗的目的是控制任何可能扭曲我們精確測量的系統不確定性。這種精確度要求非常靈敏的探測設備，科學家們使用由Argonne的再生核磁共振成像儀產生的高度穩定和孤立的磁場進行校準。在他們校準了探測器之後，科學家們將其中的17個放在了一個圓形的小車上，在費米實驗室的圓環上移動。電車在10000點左右的範圍內測量能量場，在環內的任何地方都能繪製出磁場強度的地圖。電車靠在地鐵兩側的兩條鐵軌上，科學家們用兩根連接在電動線軸上的電纜將手推車繞著圓環移動。Argonne博士後研究人員Ran Hong說：這台車必須在真空中移動。

因此控制它的運動和接收來自探測的數據是非常具有挑戰性的。為了儘可能少地干擾場地，只有一根絕緣信號電纜將電車連接到外面的世界。該電纜將信息發送到購物車，以引導它繞過環路，並將數據從探針發送回控制室。在布魯克海文使用的舊系統，實驗室的實驗用模擬信號發送信息，但是阿爾貢的科學家和工程師已經將信號數字化，以增加獲得的數據量，對更多原始數據的訪問允許更好的分析，而且它的精確度提高了10倍。由於數字數據集較大，電纜只能一次向一個方向發送信息，必須在發送電車指令和接收數據之間切換，大約每20毫秒方向開關。

科學家們已經建立了6年的Muon g-2實驗。今年將開始接受官方數據。這個實驗將持續幾個月，測量大約1萬億個介子的旋進。每隔2到3天，實驗就會暫停，讓電車測量磁場，而在真空室外面的較小的探頭會在實驗運行時，隨時估計磁場。與試圖直接探測未知粒子的大規模實驗不同，方法是尋找間接影響，而這些間接效應會在很小的範圍內改變某些東西，通過非常精確地測量這個因素，可以推斷出是否有新的東西。如果新數據證實了之前的測量結果，科學家們計划進行更精確的實驗。對這些新數據的分析可能會給新物理學的本質帶來一種味道，並可能表明需要構造什麼樣的檢測器來直接觀察潛在的新粒子。

博科園-科學科普｜來自：阿貢國家實驗室