Fermilab最新的muon测量提示标准模型中的裂缝

MUON G-2实验（发音为“GEE减去二”）旨在寻找超出粒子物理标准模型的物理学的暗示。它通过测量被称为μON产生的子原子粒子产生的磁场（AKA磁矩）来这样做。回到2001年，在布鲁克海汶国家实验室的早期运行发现略有差异，暗示可能的新物理学，但争议结果缩短了索赔发现所需的临界阈值。

现在，Fermilab物理学家已经完成了他们从更新的Muon G-2实验的数据初步分析，显示＆＃34;优秀的协议＆＃34;随着差异的布鲁克海堡录制了。结果今天宣布在“物理审查”函中出版的新文件中。

正如我在2013年在Nautilus写的那样，在1936年首次发现穆森之前，物理学家认为他们的粒子物理模型几乎完整。然后，正在研究宇宙射线的Caltech物理学家Carl Anderson和Seth Neddermeyer，注意到当他们通过磁场时，一些颗粒在预期的情况下没有曲线。一年后，云室实验证实，这些颗粒确实是新的。这是一个如此令人惊讶的发展。 rabi着名，“谁下令了？”

那发现导致了一个更复杂的粒子物理学模型的复杂版本，而不是一个，而不是两个，而是三代物质粒子（夸克和百氏），更不用说三种携带的力携带粒子（衡量磁杆） - 真实的粒子动物园。我们只是在粒子加速器之外非常不遇到那些第二和第三代，因为它们很重，他们几乎立即衰减到他们的第一代表兄。 2012年，诺贝尔奖获奖的荣获胜利发现是标准型号的最终一块，旨在经过实验验证的粒子动物园。

但这不是故事的结束。标准模型在沉积尺度上工作得很好，但它几乎忽略了重力（这太弱，无法对量子领域产生大部分影响）。物理学家尚未提出在该框架内工作的量子重力理论，因此我们基本上有两个不同的＆＃34;规则书籍＆＃34;对于解压缩和宏观尺度世界：量子力学和一般相对性。该模型也没有考虑到暗物质的＆＃39;虽然物理学家希望在大型强子撞机的持续实验中，迄今为止，迄今为止只有在标准模型之外的物理学中的更加异国情调的颗粒和力量（如超比）的证据。这个＆＃39;它的最新相关结果进来。

μ子（Lepton分类的成员）是电子的较重的第二代堂兄 - Tau是第三代表弟 - 这使得MuOn对普通真空中的虚拟颗粒特别敏感，因为它们可以与这些虚拟粒子简要互动。 “MuOns是特别的，”Fermilab物理学家Chris Polly-A The Muon G-2协作的新论文和共同发言人的共同作者在2012年告诉对称杂志。“他们很轻松地生产，但足够沉重我们可以通过通过实验使用它们来唯一探测标准模型的准确性。“

μ子有内部磁铁，以及角动量（旋转）; ＆＃34; g＆＃34; （＆＃34;比例常数＆＃34;）是指内部磁铁和＃39; s强度与旋转速率之间的比率。 MUON＆＃39; S磁体通常沿磁场的轴线对齐以对齐，就像罗盘在地球中且磁场中的磁场一样。但是因为μs＆＃39;舞势势头，这不起作用;相反，该领域在旋转磁矩上施加扭矩，导致围绕场的轴线。因为μ子可以与虚拟粒子相互作用，所以G的值与经典值不同约0.1％ - 因此，技术上称为μ子的异常磁矩。

当Polly仍然是一名研究生时，他在Brookhaven的原始Muon G-2实验上工作，从1997年到2001年开始。该实验旨在精确测量当μ子放入磁场时发生的摆动。响应于所有虚拟粒子突破和摆脱存在。如果WOBBLE的价值不同意标准模型的严格预测，那么强烈的暗示可能涉及一些新物理学。

在2006年宣布的最终结果发现了一种有趣的差异，标准模型的预测值：MUON＆＃39; S测量的磁体时刻进入较小的值。更加有趣，结果被认为是3.7σ的效果。 （信号的强度由标准统计偏差或SIGMA的数量来自数据中的预期背景，从而产生Telltale＆＃34;凹凸。＆＃34;这种度量经常与头部上的硬币着陆相比连续扔。三西格玛的结果是强烈的提示。例如，用于发现发现的金标准是一个五西格玛的结果，例如连续折叠21个头。）

那就说，三西格玛结果，同时诱人，散列粒子物理中的一直弹出，而且往往不是，它们一旦添加更多数据就会被添加到混合中。因此，Fermilab恢复了Muon G-2的实验，希望能够确认或剥夺一次差异。

由于它在划痕中构建了大量存储环磁铁，因此Fermilab选择重新使用Brookhaven＆＃39; s（以及多个子系统）。移动这种大规模的设备（它直径50英尺的尺寸）需要驳船，围绕佛罗里达州环绕，围绕田纳西州 - 托布尼水道，最后操纵伊利诺伊州的伊利诺伊河莱蒙特。然后将储物环转移到专门设计的卡车中，以使其最后的费米自动化。

Fermilab＆＃39; S加速器将一个质子束粉碎成固定的靶标，产生沉淀的亚粒子颗粒。其中一些是π散，这很快衰变成旋转，旋转都指向相同的方向。然后将那些腐烂的粘接件转移到三角形隧道中，并且一旦所有的接头都衰减，所得到的μON被送入大量储存环。 MuOns Don＆＃39; t粘在一起;在存储环内循环时，它们可以持续约64微秒 - 只需足够长，以使物理学家能够进行精确测量。

所有那些uOns绕环处的速度接近光速，最终腐蚀中微子和正弦。中微子（又名幽灵粒子）很少与任何东西相互作用，因此没有检测到它们。但是可以检测到正的正弦。他们都将在uons＆＃39的任何方向上旅行;内部磁铁指向，给予物理学家一种方法，以衡量磁矩在精确的情况下测量。

Fermilab的这些最新结果是从Muon G-2实验的第一年收集的数据中汲取的，因此误差的余量现在与早期的Brookhaven测量相同。然而，两种结果非常匹配，并占据在一起，他们刚刚在发现所需的阈值的边缘到4.2 sigma teetering统计学意义。这意味着只有在40,000次机会中只有1个，这是由于统计波动。 “在Brookhaven实验结束后过去了20年后，最终解决这个谜团是如此令人欣慰的是，”波利斯利说。

Fermilab还使用与Brookhaven相同的存储环，尽管有多次升级到位，以实现测量的准确性的四倍改善（每十亿的精度为140份）。下一步是尝试通过在日本质子加速器研究复杂（J-PARC）的实验中找到测量μs磁矩的实验的独立确认 - 或许，其快速循环同步（RC）还拥有强大的质子束，旨在为粒子实验产生μON的梁。

对于那些渴望的铁杆技术细节的人来说，合作中有两个伴随的论文。在物理审查A中发布的一个，专注于做出这种精确测量的强化监测，校准和加权。第二个，在物理审查D中发布的第二个，提供了关于从四种不同数据集中提取测量的计算的技术细节。

Fermilab＆＃39;公告已经让粒子理论家争先恐后地将这些发现纳入他们的模型。根据在本质上发表的一篇新的论文，至少有一组理论家计算了MuOn＆＃39;磁矩的新估计，以符合标准模型。这使得muon＆＃39; s磁性时刻不那么神秘，因为无需新物理来解释布鲁克海堡和费尔米尔测量。

＆＃34;如果我们的计算是正确的，并且新的测量不会改变故事，那么我们似乎不需要任何新物理来解释muon＆＃39; s磁矩 - 它遵循标准的规则模型，＆＃34;宾夕法尼亚州立大学的物理学家联合作者Zoltan Fodor表示。 ＆＃34;虽然新物理学的前景始终诱惑，但它也令人兴奋地看到理论和实验对齐。它展示了我们理解的深度，并开辟了新的探索机会。我们的发现意味着前面的理论结果与我们的新作品之间存在紧张局势。应该理解这种差异。我们在我们面前多年的兴奋。＆＃34;