近日，美国能源部（DOE）费米国家加速器实验室（Fermilab）发布了针对μ子的异常磁矩g-2实验精确测量的最新结果。基于过去三年的数据，第三次测量也可以说是最新的结果与之前实验的成果完全一致，进一步巩固了实验测量的世界平均值。这一备受期待的数值将在未来许多年成为世界上对μ子磁异常状态测量的最精确数值 。
由美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）主办的μ子g-2实验的科学家们发布了他们对μ子的异常磁矩第三次也是最后一次测量结果。该数值与实验名称中的测量值g-2有关。最新的测量结果与他们在2021年和2023年公布的结果一致，但精度要高得多，为127ppm，超过了实验最初设定的140ppm的设计目标。
“μ子的异常磁矩，即g-2，之所以很重要，因为它为粒子物理学的标准模型提供了一个高度敏感的测试途径。这是一个令人兴奋的结果，很高兴看到实验以精确测量的明确结果告终，“美国能源部高能物理办公室副主任Regina Rameika说。
这一备受期待的结果是精确测量的巨大成就，并将在未来许多年内保持世界上最精确的μ子异常磁矩测量记录。尽管最近在理论预测方面遇到了一些挑战，这些挑战削弱了来自μ子g-2新物理学的证据，但这一结果为粒子物理学标准模型的扩展理论提供了一个严格的基准。
“这是一个非常激动人心的时刻，因为我们不仅实现了目标，还超出了目标，这对于精密测量工作来说并不容易，”阿贡国家实验室的物理学家、μ子g-2合作研究小组的联合发言人彼得·温特（Peter Winter）说。“在资助机构和美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）的支持下，总体上非常成功，因为我们达到或超越了我们预期的几乎所有目标。”
“一个多世纪以来，g-2一直在帮助我们揭示自然界的本质，”康奈尔大学教授兼该研究成果的分析联合协调员劳伦斯·吉本斯（Lawrence Gibbons）说。“能够增加一项我认为会长期有效的精确测量记录是令人振奋的。”
μ子g-2（读作“g减2”）实验着眼于一种称为μ子的基本粒子的摆动。μ子类似于电子，但质量大约是电子的200倍；与电子一样，μ子具有称为自旋的量子力学特性，可以被理解为一个微小的内部磁体。当存在外部磁场的情况下，这个内部磁体会像旋转时陀螺的轴一样不停的摆动或震动。
在磁场中μ子的摆动频率取决于其特性，该特性由称为g因子的数字描述。理论物理学家根据对宇宙在基本层面上运行方式的现有知识来计算g因子，这些知识包含在粒子物理学的标准模型中。
大约100年前，g的值被预测为2。但实验测量很快证明，g与2略有不同，这个差值被称为μ子的异常磁矩，记作aμ，通过(g?2)/2计算得出。μ子的g-2实验正是由此关系得名。
μ子的异常磁矩几乎对所有标准粒子模型都产生影响，理论物理学家能够以令人难以置信的精度计算出这些异常磁矩所带来的影响。但之前在1990年代末和2000年代初在布鲁克海文国家实验室进行的测量表明，其结果可能与当时的理论计算数值存在差异。
当实验结果与理论数值不一致时，这可能意味着存在新的物理现象。具体而言，物理学家们怀疑这种差异是否可能是由尚未发现的粒子拉动μ子的异常磁矩而引起的。
因此，物理学家决定升级μ子g-2实验，以进行更精确的测量。2013年，Brookhaven的磁性存储环从纽约长岛被运往伊利诺伊州巴塔维亚的费米实验室。经过多年的重大升级和改进后，费米实验室μ子g-2实验于2017年5月31日启动。
与此同时，物理学家们组成了一个国际性合作团队，即μ子g-2理论倡议（Theory Initiative），以改进理论计算。2020年，Theory Initiative团队发布了一个更新的、更精确的标准模型值，该值基于一种使用其他实验输入数据的技术而生成。
当费米实验室在2021年公布其首个实验结果时，这种与该技术结果的差异继续增大，该结果以略微提高的精度确认了布鲁克海文的测量结果。与此同时，基于第二种严重依赖计算能力的技术得出了一个新的理论预测值。这个新数值更接近实验测量值，从而缩小了差异。
最近，Theory Initiative团队发表了一项新的理论预测，该预测结合了使用新计算技术的几个小组的结果。这一结果仍然更接近实验测量值，降低了新物理现象出现的可能性。然而，理论研究工作将继续努力理解数据驱动方式和计算方法之间的差异。
基于过去三年的数据，μ子g-2合作研究小组的第三次也是最后一次测量结果与之前的结果完全一致，进一步巩固了实验测量数据的世界平均值。（μ子g-2合作组）这项最新的测量结果是基于对2021年至2023年间获取的过去三年数据的分析，并结合之前发布的数据集。这使得用于2023年第二次结果的数据集规模增加了两倍多，并使该合作组最终实现了他们在2012年提出的目标精度。
这也代表了对实验最佳质量数据的分析。在第二次数据采集运行即将结束时，μ子g-2合作研究小组完成了对实验过程的一些调整和优化，这些改进提高了μ子束的质量并减少了不确定性。
“正如数十年来一样，μ子的异常磁矩仍然是标准模型的严格基准，”阿贡国家实验室的助理物理学家兼分析协调员西蒙·科罗迪（Simon Corrodi）说。“新的实验结果为这一标准模型的基本理论提供了新的思路，并将为即将到来的任何新理论计算设定基准。”
日本质子加速器研究复合体（J-PARC）未来将在2030年代初期进行另一次μ子磁异常测量实验，但最初他们的精度无法达到费米实验室的水平。
与此同时，理论倡议（Theory Initiative）将继续致力于解决他们两个理论预测之间的不一致性。
μ子g-2合作研究小组由来自七个国家的34个机构的近176名科学家组成。意大利国家比萨核物理研究所的物理学家兼μ子g-2 合作研究小组的联合发言人Marco Incagli强调，合作的国际性是实验成功的关键。
不同寻常的是，这些科学家还代表了不同的物理学领域。“这个实验非常奇特，因为它涉及的实验步骤非常独特，”Incagli说。“这确实是由通常从事不同实验的各个团体之间的合作完成的。”
与其他高能物理实验不同，μ子g-2实验的研究人员不仅仅是高能物理学家；该合作小组还包括加速器物理学家、原子物理学家和核物理学家。“看到所有这些不同领域的专家聚集在一起，我们就能够解决一个团队可能都无法单独完成的问题，这非常有价值，”Incagli 说。
尽管实验的主要分析工作已经结束，但在μ子g-2近六年的实验数据中还有更多有待挖掘的研究内容。未来，这项合作将测量μ子的一种特性（称为电偶极矩），以及测试物理定律中的一个基本定理（称为电荷、奇偶性和时间反转对称性）。
“这是一个非常漂亮的实验，”Gibbons说。“实验产生的数据非常精致，我们有幸能够记录到这些数据并对其进行分析研究。
“当然，结束这样一个项目令人感到惋惜，因为它一直是我们许多合作者工作和生活的重要组成部分，”自2011年以来一直参与该合作的Winter说。“但我们同时也希望转向其他领域的物理学，尽我们所能推动该领域在其他方面的发展。
“我认为这将是一个教科书式的实验，将在未来几十年里成为长期的参考依据，”Winter补充道。
美国能源部（DOE）费米国家加速器实验室（Fermilab）是美国首屈一指的粒子物理学和加速器研究国家实验室。Fermi Forward Discovery Group为美国能源部科学办公室管理费米国家加速器实验室（Fermilab）。
