以前所未有的精度测量了介子的基本磁性

科学家们对μ子的磁矩进行了测量，其精度达到了前所未有的水平，是之前记录的两倍多。

来自 Muon g-2 合作项目的物理学家在美国费米实验室的粒子储存环中将 μ 子(称为“重电子” )加速到接近光速。施加比地球强 30,000 倍的磁场，μ 子会由于自身磁矩而像陀螺一样绕其自转轴进动。

当它们绕着直径 7.1 米的储存环旋转时，受真空中虚拟粒子的影响，介子的磁矩与外部磁场相互作用。通过将此进动频率与环周围的循环频率进行比较，合作者能够确定介子的“异常磁矩”，精度为百万分之 0.2。

这次 μ 子磁矩测量是自 2006 年以来进行的一系列测量中最新的一次，最初的测量是在纽约长岛的布鲁克海文国家实验室进行的。随后的每次实验都提高了测量的精度。最新测量的精度比同一团队基于早期数据的先前测定结果高出 2.2 倍。Muon g-2 合作小组由来自 7 个国家和 33 个机构的 181 名科学家组成;他们的最新研究成果发表在《物理评论 D》上。

介子的质量是电子的 207 倍，但其他方面完全相同，具有相同的电荷和自旋。(1936 年发现介子时，物理学家、最终的诺贝尔奖获得者伊西多·艾萨克·拉比惊呼道：“是谁命令的?”1975 年，人们发现了这个轻子家族中质量更大的“表亲”，称为 τ 介子，其质量是电子的 3,477 倍。)

无论是从理论上还是从实验上确定轻子磁矩，都代表着科学成就的巅峰。现在已知电子磁矩精确到 11 位有效数字，相对精度为 10 万亿分之一。令人惊讶的是，通过量子电动力学 (QED) 的费曼图计算出的理论预测与测量值精确到 10 位有效数字。

在这样的精度水平下，μ子测量有望发现任何代表超出标准模型的物理学理论偏差。

最低阶预测基于 QED，要获得如此高的精度需要使用计算机计算数千个复杂的费曼图。(朱利安·施温格于 1948 年创造了历史，他手动计算了电子异常磁矩的最低阶修正 α/2π，该修正出现在他的墓碑上。他使用了 QED，但没有使用费曼图，而是使用了他自己发明的、不再流行的高度分析技术。)

与电子相比，预测介子异常磁矩的理论有所不同，也更难预测。QED 结果同样适用于电子(当然质量不同)，但还有两个额外考虑因素：电弱理论的贡献和标准模型中强子的贡献。

前者包括虚拟希格斯玻色子和两种 Z 玻色子的影响，后者包括质子、中子和介子等虚拟强子环的影响。由于 μ 子质量较大，因此它对可能出现在标准模型以外的物理学中的新粒子的敏感度是后者的 43,000 倍。(可能性包括超对称、弦理论等。)

该理论的局限性来自计算中的强子部分。合作者写道：“虽然 QED 和电弱贡献被广泛认为是没有争议的，但 SM 对 μ 子 g-2 的预测受到我们对强相互作用粒子真空涨落的了解的限制，包括称为强子真空极化和强子光散射的效应。”(此处，“g-2”是异常磁矩)。

在费米实验室储存环内，每 1.4 秒注入一次 8 束 μ 子，约 267 毫秒后注入相同的模式。这样，每次约有 100,000 个正 μ 子被输送到储存环，其中 96% 的自旋极化。数据是在 2019 年 3 月至 7 月和 2019 年 11 月至 2020 年 3 月之间汇编的。第二次和第三次运行的数据量是 2018 年运行的四倍多，总数据跨越三年。

实验人员校正了大量系统性因素，否则这些因素会使结果产生偏差：对环绕储存环的光束的动态进行了多项校正，例如由于环的有限孔径而导致的 μ 子损失、由于非零电场而导致的环 μ 子扩散、由于 μ 子注入环而导致的磁场瞬态扰动等。偶尔受到磁场突然变化影响的 μ 子必须从数据中分离出来。

尽管目前的数据将精度提高了两倍多，但该团队最终得出结论，目前还无法与理论进行比较。即使是电子，也需要一些先前的实验数据来校正强子效应理论，而可用于校正的两个实验不一致。因此，μ子磁矩的高精度值也受到限制。

还有三年的数据等待分析，研究小组预计，由于测量的μ子数量较多，统计精度将再提高约 2 倍。