《美国物理实验室找到新的粒子了吗?》

  • 来源专题:大气污染防治
  • 编译者: APC
  • 发布时间:2018-06-27
  • 结果基于15年的MiniBooNE数据粒子物理领域最近经历了一些深刻的探索。

    2012年在大型强子对撞机(LHC)检测到希格斯玻色子粒子时,发生了欢乐。

    但从那时起,LHC预计将会出现的物理学方面的重大新发现未能实现。

    因此,有报道称美国费米实验室的MiniBooNE实验可能会发现新粒子的暗示。

    具体而言,这些数据可能暗示以前未被发现的中微子形式,称为“不育中微子”。

    中微子是被称为标准模型(SM)的粒子“动物园”中最吸引人的居民之一。

    SM是解释我们周围世界如何工作的最成功的理论,但它有局限性,因为它不能解释诸如暗物质或重力等现象。

    中微子与其他基本粒子的相互作用很弱,导致它们被昵称为“鬼粒子”。他们还有能力在三种不同的形式或口味之间“摆动” - 翻转或切换身份。这些是电子中微子,μ子中微子和τ中微子。

    图片版权Fermilab图片标题Fermilab是芝加哥附近的一个2700公顷的场地,是美国首屈一指的粒子物理实验室。第四种味道,即不育中微子,之前已经提出,但从未被实验检测到。

    现有的三种中微子会通过弱力(宇宙四大基本力量之一)和重力与物质相互作用。

    然而,不育中微子主要与重力相互作用。然而,用仪器探测的一定程度上必须与其他(活性)中微子风味混合。

    “如果不育中微子与活性中微子完全脱离,他们将无法看到,”曼彻斯特大学粒子物理小组负责人StefanSöldner-Rembold教授说。

    不育中微子非常重要,因为它代表了标准模型之外的新物理学,并且必须在宇宙的形成中发挥作用,这可能会影响我们的宇宙学模型。

    事实上,加拿大多伦多约克大学的天体物理学家Ray Jayawardhana教授说,“人们首先提出不育中微子的原因之一是他们可能会解释宇宙中的暗物质,因为你会看到引力影响力,但他们不会以任何其他方式互动。“

    Image版权所有AHEP MiniBooNE可以检测位于伊利诺伊州Fermilab的矿物油球罐中电子中微子与原子核相互作用的痕迹。

    中微子本身是通过在由铍制成的靶上发射质子而产生的。这些μ子中微子然后到地下探测器。在途中,有些人可能会转向电子中微子形式。

    从事MiniBooNE项目的科学家已经发布了15年的数据,显示出比标准模型预计的更多的电子中微子。

    研究结果出现在Arxiv预印服务器上的一篇论文中,并将于周五在德国海德堡举行的Neutrino 2018会议上发布。

    这篇论文的意义在于,一些μ子中微子在向电子中微子再次转换身份之前正在翻转成不育的中微子。

    研究人员在MiniBooNE上以4.8西格玛(5西格玛是声称发现的常见阈值)的置信度来看待这一点。与美国液体闪烁体中微子探测器(LSND)实验超过20年前的类似结果相结合时,其意义超过六西格玛。

    Söldner-Rembold教授表示,大多数物理学家期望额外的新中微子是非常重的粒子。但是这个 - 如果它确实存在 - 会相对较轻。

    但是,不育中微子解释存在潜在的问题:来自其他中微子实验的结果,例如IceCube和Minos,没有证据表明这种粒子。此外,其他科学小组后来未能复制LSND实验的结果。

    图片版权Felipe Pedreros,IceCube / NSFImage caption其他中微子实验,如IceCube(如图)在南极,没有看到不育中微子的证据更多证据来自宇宙微波背景 - 宇宙大爆炸的“余辉” - 作为由普朗克航天器测量。 2016年由Söldner-Rembold教授和曼彻斯特大学的其他科学家撰写的一项研究证实,不需要无菌中微子来描述CMB测量值。

    此外,MiniBooNE论文的作者可能低估了“背景”。这是指数据中与物理学家寻找的信号无关的其他事件 - 换言之,误报。

    称为π介子的粒子的中性形式可衰变为光子

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  • 《美国能源部(DOE)费米国家加速器实验室(Fermilab)发布μ子g-2实验的最新测量结果》

    • 编译者:张宇
    • 发布时间:2025-06-24
    • 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)。
  • 《美国天体物理联合实验室(JILA)等机构研究人员利用纠缠物质波,克服了标准量子极限(SQL)》

    • 编译者:李晓萌
    • 发布时间:2024-11-11
    • 今天的传感技术,从原子钟到引力波探测器,在很大程度上依赖于精度,但从根本上受到标准量子极限(SQL)的限制。长期以来,这种对测量精度的限制一直是需要超精确检测的科学领域的障碍。在近日发表在《Physical Review A》上的一项研究中(https://doi.org/10.1103/PhysRevA.110.L041301),来自美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校的联合机构美国天体物理联合实验室(JILA)、NIST和科罗拉多大学量子物质理论中心的研究人员展示了一种使用纠缠物质波绕过这一障碍的新方法。通过仅操纵超冷原子的运动状态,而不是电子相互作用,该团队创建了一个高度可调的系统,可以产生纠缠,适用于更敏感的量子增强传感器。 通过动量态重新定义纠缠 纠缠是一种量子现象,其中粒子相互连接,这意味着即使相隔很远,一个粒子的状态也会瞬间影响另一个粒子。在量子传感中,纠缠对于超越测量精度的经典极限(称为标准量子极限(SQL))是必要的。这个限制限制了许多量子实验中可实现的精度。通过纠缠,科学家们希望减少测量中的不确定性,这可能会导致更精确的原子钟、引力波探测器和其他量子技术。 正如该研究所指出的那样,之前的研究通常依赖于纠缠原子的内部状态,例如它们的自旋或电子构型。然而,研究中详细介绍的这种新方法表明,原子动量态之间可以产生纠缠,为量子增强传感创造了一个完全不同的范式。 使用超冷原子腔系统,研究人员依靠腔内的原子运动如何导致腔光子的频率偏移。然后,这种转变以偶极力的形式反射回原子上,使它们相互作用。动量态之间的这些相互作用产生了一种可用于量子测量的纠缠形式,所有这些都不涉及电子相互作用。 调整原子运动以实现精确控制 在他们的实验装置中,原子被限制在光学腔中,该光学腔由相干驱动器泵浦,以特定速率注入光子。当原子在腔内移动时,它们与光子的相互作用会导致频率偏移,进而驱动腔的响应。这种动态在原子的动量态之间产生纠缠,使团队能够精确控制原子的集体运动。该系统具有高度可调性,这意味着研究人员可以调整各种参数来优化纠缠生成过程。 根据该团队的说法,这项实验的关键成就之一是演示了单轴扭转(OAT)动力学,这是一种压缩形式,可以降低一个测量方向的不确定性,同时增加另一个方向的不确定度。这种设置中的OAT动力学是由原子动量态之间的相互作用引起的,产生了一种集体运动,导致了计量上有用的纠缠。这意味着即使在存在噪声的情况下,该系统也可以实现SQL之外的精确测量。 SQL之外的传感技术转型 量子增强传感在广泛的领域具有潜在的应用,从基础物理实验到GPS和医学诊断等实用技术。研究指出,通过超越SQL,这项研究可能会带来更灵敏的探测器,能够以前所未有的精度测量引力场、磁场或其他物理性质的微小变化。 例如,在引力波探测中,必须测量时空中令人难以置信的微小变化,使用纠缠物质波可以实现更精确、更快的探测。同样,在依赖于基于原子振动的精确时间测量的原子钟中,降低测量不确定性可以显著提高其精度,从而带来更好的全球定位系统和电信技术。 一如既往,噪音是不可避免的 正如该团队所指出的那样,虽然这项研究对量子传感产生了影响,但在这种系统得到广泛部署之前,仍有一些挑战需要克服。主要限制之一是目前实验中使用的系统的大小。在这项研究中,研究人员使用了相对较少的原子和动量态。将这种方法扩展到更大的系统是必要的,以充分实现其在实际应用中的潜力。 此外,该系统仍然容易受到噪声和退相干的影响,这两者都会降低纠缠度并降低传感协议的有效性。未来的工作将需要专注于最大限度地减少这些影响,可能是通过改进纠错技术和更好地控制原子和光子相互作用。 纠缠物质波的精度未来 科罗拉多大学的团队所进行的研究可能为利用纠缠物质波进行量子增强传感提供新的可能性。通过超越依赖电子相互作用的传统方法,他们展示了一种可以提高各个领域测量精度的方法,特别是在更强大的量子传感器方面,其潜在应用范围从更精确的原子钟到更好的引力波探测器。随着量子传感领域的发展,控制和使用纠缠物质波的能力可能成为一个新的标准。 参与本研究的作者包括John Drew Wilson, Jarrod T. Reilly, Haoqing Zhang, Chengyi Luo, Anjun Chu, James K. Thompson, Ana Maria Rey, and Murray J. Holland。