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新物理時代要誕生了嗎？上海交大團隊助力國際合作重大發現

新物理時代要誕生了嗎？上海交大團隊助力國際合作重大發現
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經過長時間的期待，美國費米國家實驗室的繆子反常磁矩實驗（Muon g-2實驗)首個結果已于4月7日公布：基本粒子繆子的行為和標準模型理論預言不相符。
“這意味著原本經歷了多次考驗，堪稱完美的標準模型理論也許并不能完全描述粒子世界的規律，也許會有更完美的理論等待人類去發現。”參與這一國際合作大項目的上海交通大學物理與天文學院教授李亮在接受采訪人員采訪時這樣說。
上海交通大學物理與天文學院教授李亮和李政道研究所副教授許金祥帶領學生與博士后參與這一研究項目。今天采訪人員連線了這兩位學者。
接近“臨界點”的差異預示著有更完美的標準理論模型等待發現
據許金祥介紹，繆子是電子的近親，質量比電子重200倍，繆子在宇宙射線穿透地球大氣層時會自然產生，也可以通過粒子加速器大量制造。與電子類似，繆子也有內稟磁矩。在外界強磁場下，繆子的磁矩指向會發生進動或者搖晃，好比旋轉的陀螺會發生搖晃一樣。繆子內稟磁矩的大小決定了繆子進動頻率的大小，這兩者之間的比值被物理學家稱為“旋磁比”(也叫“g-因子”)。這個比值能夠被理論精確計算。
他說，我們所處的空間并非完全是“空”的，其中有很多不斷產生、湮滅的“虛粒子”，這也被稱為量子泡沫。這些虛粒子會與繆子發生相互作用從而影響繆子的g-因子并改變繆子進動的頻率。因此通過測量繆子的磁性變化，可以深入了解粒子所處的時空結構。
標準模型理論迄今為止都近乎完美地預言了粒子的一切行為，包括繆子反常磁矩的影響。。
【新物理時代要誕生了嗎？上海交大團隊助力國際合作重大發現】但是，在20多年前，布魯克海文實驗室的研究人員就發現繆子的行為與標準模型不符的一些跡象。“這意味著我們所在的空間可能有尚未發現的新粒子存在，或者有尚未發現的作用力存在。而在這一新發現之前，物理學的四種作用力以及物理世界究竟有些什么粒子，在物理學界已經基本達成了共識。一旦新發現的可能性被完全‘坐實’，將對粒子物理乃至整個科學領域產生顛覆性的影響。”李亮告訴采訪人員。
此次費米實驗室公布的首批數據顯示，繆子的反常磁矩與標準模型預言的數值相差相差4.2倍標準方差，而且出現偶然誤差的概率僅有四萬分之一。李亮說：“5倍標準方差可算是一個臨界點，一旦達到5倍，就意味著我們粒子物理學界的“重大發現”的標準。當前測得的這一數值，已經足夠說明我們現有的標準模型理論可能只是在特定情況下的一種近似理論。”
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延續10多年的跨國合作
當下不少物理學領域的研究項目都是跨國合作項目，科學領域的國際合作變得越來越重要。據介紹，繆子反常磁矩國際合作組目前由7個國家、35個研究單位的近200個科研工作者組成。上海交通大學于2012年成立繆子物理團隊并參加了費米實驗室的繆子反常磁矩實驗。
僅僅在運行的第一年（2018年），繆子反常磁矩實驗采集的數據量就超過了以前所有實驗的總和。現在繆子反常磁矩國際合作組已經分析了超過八十億個繆子的數據。“大約一年后，還會公布一批結果。”許金祥告訴采訪人員，實驗的第二期和第三期數據的分析正在進行中，同時實驗還在進行第四期的取數，接下來還會有第五期的運行。通過分析全部五期的數據，科學家們能夠得到更加精確的測量結果，從而對新物理理論的追尋更加充滿信心。
李亮是費米反常磁矩實驗早期成員之一，現任離線數據組共同總召集人和合作組秘書長，主導離線數據生成、分析以及仿真模擬相關方面的工作。許金祥于2015年加入繆子反常磁矩實驗，2019年加入李政道研究所，擔任束流動力學修正效應組共同召集人，負責運用超算資源進行海量數據模擬并針對主要系統誤差開發了新穎的數據分析方法。他說：“最激動人心的時刻莫過于2017年年底時，我們的探測器得到第一批試運行的數據，當時我已經連續工作了36個小時，當第一張收集數據的圖標打印出來時，合作組的所有成員都激動萬分，紛紛在上面簽下了自己的名字。”
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在今年2月25日當天正式數據分析結果出來時，是凌晨12點，身處世界各地的100多個成員都在線參加了結果的揭曉。許金祥說，當數據分析結果公布那一刻，可以聽到來自世界各地的歡呼聲。

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