世界是由什么组成的?物理学家们认为,在质子、中子、电子和夸克等基本粒子之外,也许还有其他未发现的粒子。这些难以观测到的粒子,可能在空间里极短暂地产生和湮灭,改变空间的能量,带来“量子涨落效应”。虽然目前人类的物理水平不能直接测量这些变化,但或许可以通过已知粒子的“异动”探测。其中一个“异动”指标,是电子的“反常磁矩”。它是电子一个系数的实际值与标准模型理论值的偏差。
在类似电子的缪子(muon,也写作μ子)上,这个偏差更容易测量。如果能证实缪子的反常磁矩Muon (g-2)/2的测量值和根据标准模型计算出来的值有确定的偏差,而非测量上的误差,就能确认未知粒子的存在。那么经典物理模型将被打破。2001年,美国布鲁克海文国家实验室曾经测得缪子的反常磁矩值为11 659 202(14)(6) X 10^{-10},这一数值与理论物理学家的计算非常接近。
2006年,同一实验室测得数值为11 659 208.0(5.4)(3.3) x 10^-10,与经典物理理论数值的偏差相差2.2 - 2.7个标准差。两者相差越大,则说明这个值偏离标准模型的结果越远。但是,一个完全颠覆现有物理理论的结果,需要相差5个以上的标准差。在美国费米国立加速器实验室,一个200多人的研究团队致力于实验测量缪子的反常磁矩。
2021年4月7日,FNAL宣布,他们测量的结果与布鲁克海文实验室的结果一致,如果把两个实验结果结合在一起,那么缪子的反常磁矩的实验测量值与标准模型相差4.2个标准差。这一结果虽然没有完全颠覆现有理论,但已非常接近。洪然目前在美国阿贡国家实验室任加速器控制工程师,他于2016年加入FNAL的实验团队,负责实验仪器的设计、调试、运行、故障排除和数据分析。
本文中,他解释了这一发现的原理和意义,回应了相关质疑,并分享了他参与前沿物理探索时的思考。