?新物理的魅影？浅谈缪子g-2实验磁矩——旋转的带电陀螺自旋的故事量子效应与QED的胜利缪子是谁？缪子反常磁矩的测量“5个σ”的意义新物理还是其他？展望( 五 ) _小知识

文章插图
严格正比于缪子的反常磁矩。所以，只要能够精确控制磁场、精密测量出基本电荷和缪子的质量，通过精确测量缪子回旋一周后磁矩的指向（因为角度差等于角速度差乘以时间）就可以给出它的反常磁矩了。

文章插图
图12. 缪子反常磁矩的测量原理。
由于做匀速圆周运动的缪子，每时每刻的运动方向都沿着圆周的切线方向，所以剩下的问题，就是如何测量缪子自旋轴的指向了。聪明的物理学家利用了缪子衰变的一个特性，而这个特性，与 1954 年李政道先生和杨振宁先生猜想、并被吴健雄先生通过实验证实的弱相互作用宇称破坏有关。我们在此只需要知道，由于宇称破坏，缪子衰变（炸裂）产生的那个电子，在大部分情况下，更喜欢沿着衰变前那个缪子的自旋方向飞出来。所以，衰变电子的运动方向，可以作为缪子自旋方向的指标。实际上，人们并不需要测量电子的运动方向。因为缪子本身是高速运动的，当电子飞出来时，它就好像从一节高速飞驰中爆炸的车厢上跳下车的人，如果它顺着火车行驶的方向跳，落地的动能就大，如果它逆着火车行驶的方向跳，落地的动能就小。因此，只要在实验室中测量电子的能量，就能知道缪子（相当于车厢）的运动方向与电子（相当于跳车的人）的运动方向是否一致了。电子的普遍能量越高，它们的运动方向与衰变前缪子的运动方向夹角就越小，缪子的自旋方向与运动方向夹角也就越小；反之，电子的普遍能量越低，它们的运动方向与衰变前缪子的运动方向夹角就越大，缪子的自旋方向与运动方向夹角也就越大。由于反常磁矩导致每转一圈这个夹角都会变大一点，直到夹角涨到 360 度再重新开始。所以，观测到的电子能量的大

文章插图
图13. 在实验室中，缪子衰变产生的电子就好像一个从飞驰的火车上跳下来的人。
于是，实验家们只需要在磁储存环上开几个观察窗，测量一下从窗口飞出的缪子衰变产生的电子的能量随时间的周期变化情况，就可以确定了。测量的次数越多，获得的结果也就越精确。至于其他的问题，比如如何用一辆小车上的核磁共振探针测量储存环中的磁场、怎样给这些探针校准等等，属于具体的实验细节，我们在此就不再赘述了。
2006年，布鲁克海文国家实验室 E821 实验的缪子反常磁矩测量结果显示
精度为百万分之 0.46 。这一结果与当时的标准模型理论计算相差 2.7 倍标准差。随着时间的推移，在费米实验室发布他们新结果的时候，E821 的老结果与理论预言的偏差已经达到了 3.7 倍标准差。
费米实验室不仅利用了与布鲁克海文国家实验室完全相同的实验原理，连磁铁也是直接把布鲁克海文国家实验室 E821 组的那块老磁铁直接千里迢迢运来的。为此，他们先是海运，接着走内河，最后一段用卡车才把这块巨大的磁铁从纽约州长岛运到位于芝加哥西郊的费米国家实验室。磁储存环的直径有 14.2 米，其中的匀强磁场的磁感应强度达到了 1.45 特斯拉（特斯拉是一个比较大的单位，一般的磁铁是没有这么强的，医院核磁共振仪的磁场磁感应强度可以达到几个到十个特斯拉左右，所以做核磁共振检查之前大夫会反复叮嘱你把身上的所有金属物件都摘下来，否则一开机——
）。这时的频率差大概使得每跑 27 圈，缪子的自旋轴会再度与运动方向重合。

文章插图
图14. 卡车装载着巨型磁铁在高速公路上行驶。

文章插图
图15. 卡车装载着巨型磁铁，抵达位于美国芝加哥市西郊的费米国家实验室。图中的建筑，是费米国家实验室的标志性建筑威尔逊楼（Wilson Hall）。

文章插图
图16. 2013 年，工程师们在费米国家实验室吊装巨型磁铁。

文章插图
图17. 费米实验室缪子反常磁矩测量实验。蓝色的环就是磁储存环。
经过对一期运行数据的仔细分析，2021年4月7日当地时间上午 10 点，费米实验室缪子反常磁矩合作组召开线上新闻发布会，公布了他们对缪子反常磁矩测量的最新结果。新的结果与 E821 实验组的结果基本一致，但其中心值略微接近了标准模型的预言，且具有更小的实验误差。当物理学家们综合了布鲁克海文国家实验室的结果后，最终得到

?新物理的魅影？浅谈缪子g-2实验磁矩——旋转的带电陀螺自旋的故事量子效应与QED的胜利缪子是谁？缪子反常磁矩的测量“5个σ”的意义新物理还是其他？展 望( 五 )

?新物理的魅影？浅谈缪子g-2实验磁矩——旋转的带电陀螺自旋的故事量子效应与QED的胜利缪子是谁？缪子反常磁矩的测量“5个σ”的意义新物理还是其他？展望( 五 )