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深技大学者助力费米实验室的缪子反常磁矩实验
信息来源:       时间:2021-04-13      浏览次数:

近日,美国费米国家加速器实验室(Fermilab)向世界宣布了一项振奋人心的消息——缪子反常磁矩实验(Muon g-2)首个实验结果表明缪子的行为和标准模型理论预言不相符。该结果与早期美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的实验结果相一致。这两个实验结合在一起为新物理的存在提供了强有力的证据,预示着世界上可能存在新的未知的粒子或者作用力!该结果相关论文发表在国际顶尖物理学期刊《物理评论快报》(PRL)和《物理评论》(PRA, PRAB, PRD)。我校工程物理学院助理教授李迪开老师参与了这一实验,并作为实验组文章的主要作者。



缪子反常磁矩储存环的俯视图 (图源:费米实验室)

论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801


神奇的缪子

缪子比它的近亲电子重200倍。缪子在宇宙线穿透地球大气层时会自然产生。人们也可以通过粒子加速器(比如位于费米实验室的质子加速器)来大量制造缪子。与电子类似,缪子也有内禀磁矩。在外界强磁场下,缪子的磁矩指向会发生进动或者摇晃,好比旋转的陀螺会发生摇晃一样。缪子内禀磁矩的大小决定了缪子进动频率的大小,这两者之间的比值被物理学家称为“旋磁比”(也叫“g-因子”)。这个比值能够被理论精确计算。

当缪子在磁场中旋转时,它也和时空最深处起伏不定的量子泡沫发生相互作用。这些转瞬即逝的泡沫(也叫“虚粒子”)会影响g-因子。从而使得缪子进动的频率加快或者变慢一点点。粒子物理的标准模型可以对这一反常的磁矩影响做出非常精确的预言。但是如果量子泡沫中包含新的未知作用力或者粒子,标准模型的预言就将失效。

研究人员早先在布鲁克海文实验室进行过类似的实验,该实验于2001年结束前已经发现了缪子的行为与标准模型不符的一些迹象。2013年,布鲁克海文实验室的长约50英尺(16米)的超导储存环从纽约长岛经过3200英里(5200公里)的长途海路运输来到芝加哥郊区的费米实验室。费米实验室的大型粒子加速器可以产生高强度缪子束流。

在接下来的四年里,研究人员搭建了各项实验设备;调整和校准了高度均匀的磁场;研发了新的探测技术、仪器和仿真程序;全面测试了整个系统。

缪子反常磁矩实验将向储存环发射一束缪子束流,这些缪子在储存环内以接近光速的速度旋转数千圈。围绕着储存环内侧放置的探测器可以让科学家们测量缪子的进动频率。经过长时间的等待,美国能源部(DOE)费米国家加速器实验室(FNAL)的缪子反常磁矩实验(Muon g-2)于4月7日得出首个实验结果:基本粒子缪子的行为和标准模型(SM)理论预言不符。此结果与布鲁克海文实验室的综合测量结果与理论值相差4.2倍标准方差,比5倍标准方差略小(5倍标准方差是科学家宣布发现的最终标准)。这已经是一个非常有力的证据,出现统计误差的概率仅有四万分之一。


这是迄今为止最精确的实验结果,堪称一个里程碑式的突破,这个结果为缪子物理领域新物理的发现提供了强有力的证据。


实验进展与计划

目前缪子反常磁矩国际合作组由7个国家、35个研究单位的近200个科研工作者组成。仅仅在运行的第一年(2018年),缪子反常磁矩实验采集的数据量就超过了以前所有实验的总和。现在缪子反常磁矩国际合作组已经分析了超过八十亿个缪子的数据。

费米实验的第二期和第三期数据的分析正在进行中,同时实验还在进行第四期的取数,接下来还会有第五期的运行。通过分析全部五期的数据,科学家们能够得到更加精确的测量结果,从而对新物理的寻找更加充满信心。


缪子反常磁矩国际合作组合影(李迪开为合作组成员)


我校学者助力

李迪开老师2016年作为博士后进入上海交通大学缪子物理团队并参加了费米国家加速器实验室的缪子反常磁矩实验。该团队在束流动力学优化与设计、事件重建、能量和时间的刻度、离线数据分析等实验等多方面都有较突出的贡献,李迪开老师对缪子反常磁矩第一期物理数据的缪子进动频率(六个主要独立分析结果之一)进行了详细的数据分析。他博士后出站后即加入深圳技术大学工程物理学院,在学院的鼓励和支持下,继续开展缪子反常磁矩实验数据分析和开展基于激光的新型高强度缪子源方面的相关预研等一系列重要工作。他担任合作组发表在《物理评论快报》(PRL)和3篇《物理评论》(PRA,PRAB,PRD)上首批文章的主要作者。该项目同时得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。

发表情况:

https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.103.042208

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.072002

https://arxiv.org/abs/2104.03240(PRAB接收)

李迪开老师目前除了开展基于激光的新型高强度缪子源方面的相关预研之外,主要负责与先进材料测试技术研究中心团队人员共同完成电子加速器物理实验室的建设,此前团队已完成了近百兆电子伏特直线电子加速器实验平台的采购。未来将结合中心已有的超强激光、激光尾场加速粒子、自由电子激光等研究优势条件,深入研究基于激光的新型高强度缪子源,为我国相关科研工作做出新的更大贡献!

李迪开个人简介

李迪开,博士,助理教授。2014年5月毕业于法国皮埃尔与玛丽居里大学(UPMC-现索邦大学),随后在中国地质大学(2014.6-2020.5)任讲师,期间在上海交通大学物理系(2016.6-2020.5)从事博士后研究工作,并于2020年6月加入深圳技术大学工程物理学院。主要研究兴趣为缪子反常磁矩精确测量,标准模型希格斯粒子性质的精确测量,超标准模型新物理的带电希格斯粒子性质以及加速器物理与技术相关研究。

(稿件来源:工程物理学院)


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