《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)。
  • 《美国加州理工学院(Caltech)的量子传感器通过了下一代粒子物理实验的测试》

    • 编译者:张宇
    • 发布时间:2025-05-30
    • 为了更好地了解物质、能量、空间和时间的本质,物理学家们通过撞击在大型加速器机器中将高能粒子捣碎在一起,产生每秒数百万个具体不同质量和速度的粒子喷雾。这些碰撞还可能产生标准模型未能预测的全新粒子,而标准模型是我们宇宙中基本粒子和力的主流理论。目前,人们正在计划建造更强大的粒子加速器,其碰撞将引发更大规模的亚原子风暴。研究人员将如何从这种混乱中筛选出有用的信息呢?答案可能就在量子传感器中。 近日,来自美国能源部费米国家加速器实验室(Fermilab)、加州理工学院(Caltech)、由加州理工学院管理的美国宇航局喷气推进实验室(JPL)和其他合作机构的研究人员使用一种新颖的仪器合作开发了全新的高能粒子检测方法,该方法利用量子传感器(能够精确检测单个粒子的设备)的强大功能。 “在未来的20到30年里,我们会见证粒子对撞机的范式转变,因为它们在能量和强度方面将变得更加强大,”Maria Spiropulu 说。加州理工学院物理学教授Shang-Yi Ch'en说, “这就意味着我们需要更精确的探测器。这也是我们今天开发量子技术的原因。我们希望把量子传感纳入我们的工具箱中,以优化对新粒子和暗物质的下一阶段搜索,并研究空间和时间的起源。” 在《仪器杂志》(Journal of Instrumentation)上发表的一份报道中,该研究团队(还包括日内瓦大学和智利费德里科圣玛丽亚技术大学的合作者)首次在芝加哥附近的费米实验室测试了其名为超导微丝单光子探测器(SMSPDs)的新技术。他们将量子传感器暴露在高能质子、电子和π介子束中,这些传感器在探测粒子方面具有更高的效率,并且在时间和空间分辨率上有所提高。 这是朝着为未来粒子物理实验开发先进探测器迈出的重要一步,合著者、费米实验室的科学家谢思(Si Xie)表示,他同时在加州理工学院担任联合研究科学家。“这只是个开始,”他说。“我们有可能会探测到质量更低的粒子,以及可能构成暗物质的奇异粒子。” 该研究中使用的量子传感器与一类相关的传感器(称为超导纳米线单光子探测器,即 SNSPDs)类似,它们在量子网络和天文学实验中都有应用。例如,喷气推进实验室(JPL)的研究人员(世界上设计和制造这些传感器的顶尖专家之一)最近在深空光通信实验中使用了这些传感器,这项实验演示了如何使用激光将高清数据从太空传输到地面。 斯皮罗普卢、谢思以及来自费米实验室、加州理工学院和喷气推进实验室的其他科学家也在量子网络实验中使用了SNSPDs传感器,他们通过这些传感器在长距离之间传输信息——这是未来开发量子互联网的重要一步。该计划被称为智能量子网络和技术(INQNET),由加州理工学院和AT&T于2017年联合创立。 在粒子物理测试中,研究人员使用的是超导微丝单光子探测器(SMSPDs),而不是超导纳米线单光子探测器(SNSPDs),因为它们具有更大的表面积,可用于收集粒子喷雾。他们首次使用这些传感器来探测带电粒子,这种能力对于量子网络或天文学应用来说并不是必需的,但对于粒子物理学实验来说缺是必不可少的。“这项研究的新颖之处在于,我们证明了这些传感器可以有效地检测带电粒子,”谢思说。 超导微丝单光子探测器(SMSPDs)还可以更精确地在空间和时间上探测粒子。“我们称它们为4D传感器,因为它们可以同时实现更好的空间和时间分辨率,”谢思说。“通常在粒子物理学实验中,你必须调整传感器以获得更精确的时间或空间分辨率,但不能同时实现两者。” 当研究人员分析从高速碰撞中飞出的粒子束时,他们希望能够精确地追踪它们在空间和时间上的路径。打个比方,假设您想利用安保图像来追踪一个藏在从不同列车涌入纽约中央车站的人群中的可疑人物。您可能希望图像具有足够高的空间分辨率以便更好的追踪个体。但是您还需要足够精确的时间分辨率以确保您抓住了真正感兴趣的人。如果你只能获得每10秒拍摄一次的图像数据,你很可能会错过这个人,但如果你有每秒钟都拍摄一次的图片,你的机会显然就会更大。 “在这些碰撞中,你可能想要追踪每秒发生的数百万个事件,” 斯皮罗普卢说。“您被数百万次的交互现象所淹没,很难精确地找到主要的交互过程。回到20世纪80年代,我们还认为拥有空间坐标就足够了,但如今,随着粒子碰撞变得更加强烈,产生更多的粒子,我们还需要跟踪时间。 “我们非常高兴能够从事像超导微丝单光子探测器(SMSPDs)这样的尖端探测器研发工作,因为它们可能会在该领域的标志性项目中发挥至关重要的作用,比如计划中的未来环形对撞机或μ子对撞机,” 费米实验室科学家、加州理工学院校友克里斯蒂安·佩尼亚(Cristián Pe?a,2017年博士毕业)说,他领导了这项研究。“很高兴能够汇聚来自世界上多个机构的研究人员,从而组建了一支世界级的团队,我们会将这项新兴技术的研究推向一个前所未有的高度。” 这项名为“使用大面积超导微丝阵列进行高能粒子检测”的研究由美国能源部、费米实验室、智利国家研究与发展局(ANID)和费德里科圣玛丽亚技术大学资助。其他加州理工学院的作者包括前研究生王晶(Christina Wang,2024年博士毕业)、研究科学家阿迪·博恩海姆(Adi  Bornheim)、博士后安德鲁·穆勒(Andrew Mueller,2024年博士毕业)以及研究生萨希尔·帕特尔(Sahil Patel,2022年硕士毕业)。其他喷气推进实验室的作者包括鲍里斯·科日(Boris Korzh,现为日内瓦大学教授)、杰米·卢斯金(Jamie Luskin)和马修·肖(Matthew Shaw)。