來自26家研究機構(gòu)的100余名物理學家們正在準備利用Muon粒子進行一種新型的實驗，實驗結(jié)果所揭示的將是粒子物理學的未來。
位于伊利諾伊州的美國費米國家實驗室
如果我們觀察在粒子標準模型中列出的各種基本粒子，就會發(fā)現(xiàn)，起碼對于我們的日常生活來說，其中的很多基本粒子是“沒有用處”的。在人類生活中常見的物質(zhì)，絕大多數(shù)都是由原子組成，原子核中的質(zhì)子和中子，主要由“上夸克”和“下夸克”組成，而組成質(zhì)子和中子夸克之間的強相互作用則由膠子傳遞，以保證原子核可以聚合在一起，在原子核的外層環(huán)繞著電子，再加上傳遞電磁相互作用的光子，人類日常生活的一切基本上就是由這幾種基本粒子構(gòu)成。
標準模型中所包含的傳遞弱相互作用的基本粒子在日常生活中并不經(jīng)常能夠感受到，而另外一種重要的相互作用——引力作用則沒有被包含在標準模型之內(nèi)。但是當我們觀察標準模型中的61種基本粒子（其中也包含各種基本粒子的反粒子），其中最有意思的是在夸克和輕子區(qū)域，呈現(xiàn)了一種三個層次的“等級結(jié)構(gòu)”。除了“上夸克”和“下夸克”，在下一個等級還包括“粲夸克”和“奇夸克”，之后還有“頂夸克”和“底夸克”。在這三個等級的夸克結(jié)構(gòu)中，第一個等級的夸克最穩(wěn)定，其后的夸克相對并不穩(wěn)定，但是都具有和其他等級夸克所對應一致的電量，質(zhì)量逐漸增大。
在標準模型中電子和中微子等12種輕子也呈現(xiàn)出了類似的三個等級的結(jié)構(gòu)，其中最為常見的是電子和其所對應的電子中微子，在其后還有Muon粒子和其所對應的Muon中微子，Tau粒子和其所對應的Tau中微子。沒有內(nèi)在結(jié)構(gòu)的基本粒子呈現(xiàn)出的這種等級結(jié)構(gòu)讓物理學家們感到迷惑，除了構(gòu)成我們?nèi)粘Ｉ畹幕玖Ｗ又?，在這種結(jié)構(gòu)中其他等級的基本粒子相對來說不夠穩(wěn)定，很容易發(fā)生衰變（中微子則會發(fā)生振蕩）。
人們對于Muon粒子本質(zhì)的認識也經(jīng)歷了一個曲折的過程。1936年，美國科學家卡爾·安德森（Carl Anderson）和塞斯·內(nèi)德梅耶（Seth Neddrmeyer）在研究宇宙射線的時候發(fā)現(xiàn)了Muon粒子，他們發(fā)現(xiàn)這種粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)方向和電子一樣，因此也是帶有負電，但是偏轉(zhuǎn)角度和電子差別很大，說明其質(zhì)量遠高于電子。最初，科學家們命名它為Muon“介子”，意思說它是質(zhì)量介于電子和質(zhì)子之間的一種粒子。隨后科學家們相繼發(fā)現(xiàn)了其他種類的介子，也發(fā)現(xiàn)了Muon介子和其他介子的不同。Muon介子并不參與強相互作用，同時，它不是由兩個夸克組成，也沒有更復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是一種基本粒子。因此Muon粒子被取消了“介子”的名稱，成為Muon粒子，如今人們對于“介子”的定義也相應地改變了。
美國物理學家卡爾·安德森（左）和阿瑟·康普頓
如今人們認識到，Muon粒子屬于輕子的一種，它和電子具有相同的電量，它在標準模型中輕子的等級里比電子高出一級，因此質(zhì)量比電子高，大約是電子的207倍。這種粒子主要來自高能宇宙射線（主要是質(zhì)子）和地球大氣層相撞后的副產(chǎn)品。它的生命大約只有2.2微秒，之后這種基本粒子將會衰變?yōu)橐粋€電子和兩個不同種類的中微子。現(xiàn)在，這種基本粒子又一次成為粒子物理學家們研究的焦點，因為它有可能為我們指出粒子物理學發(fā)展的未來。
來自26家研究機構(gòu)的100余名物理學家們正在準備利用Muon粒子進行一種新型的實驗，這個計劃中的實驗名為Muong-2，它將更加仔細地研究Muon粒子的特性，但是實驗結(jié)果所揭示的將是粒子物理學的未來——物理學家們將如何超越標準模型，尋找到新的基本粒子。
為了進行實驗，這些物理學家首先要做的是想方設法把一個17米多寬的粒子存儲環(huán)從美國能源部位于紐約的布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）運送到位于伊利諾伊州的費米國家實驗室（Fermi National Laboratory），其間距離有5100多公里。需要運輸?shù)牧Ｗ哟鎯Νh(huán)，是一個由鋼和鋁混合建造的圓形磁體，里面還布有超導線圈，這個裝置是Muong-2實驗的核心器件，是由布魯克海文國家實驗室在20世紀90年代建造的。
Muong-2實驗的發(fā)言人、來自波士頓大學的物理學家李·羅伯茨（LeeRoberts）說，把這個電磁體從紐約用卡車運輸?shù)揭晾Z伊，比重新建造一個新設備“省了十倍的力氣”，但是這個裝置不能被拆解，只能通過卡車，用每小時十幾公里的速度在夜間運輸，預計從2013年6月初開始，直到7月末才會到達位于芝加哥郊區(qū)的費米國家實驗室。
想了解這個實驗的目的，要從g-2的意義說起。Muon粒子大體上相當于一個更重的電子，與電子相同，它也帶有負電荷，并且擁有1/2的自旋，也就是說，一個Muon粒子相當于一個微小的旋轉(zhuǎn)著的磁體。g在某種意義上，代表著這種帶電，擁有1/2自旋的基本粒子的磁體與其旋轉(zhuǎn)的比率——旋磁比。根據(jù)相對論性量子力學的預測，g的數(shù)值應該為2，但是從20世紀40年代以來，物理學家們在精確測量Muon粒子旋磁比的時候發(fā)現(xiàn)，g的數(shù)值并不是精確的等于2，而是有大約1%的誤差。因此，g與理論值的差距：g-2被稱為“反常磁矩”，根據(jù)現(xiàn)代物理學的解釋，反常磁矩的出現(xiàn)與在真空中出現(xiàn)的“虛擬粒子”和Muon粒子的相互作用有關(guān)。
根據(jù)量子力學的描述，在真空中會出現(xiàn)各種虛擬粒子對，它們短暫的出現(xiàn)之后又相互湮滅，但是這些虛擬粒子與Muon粒子之間的相互作用卻可能被探測到。意識到了這一點，物理學家們就可以通過精確測量Muon粒子的反常磁矩來探測真空中出現(xiàn)的虛擬粒子。在這之前最精確的Muon反常磁矩測量就是在美國布魯克海文國家實驗室進行的，那里的物理學家們測量了大約1億個Muon粒子，這個在2001年完成的實驗發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與理論預測存在著差異，但是由于實驗精度的問題，這個結(jié)果還不能被稱之為一個科學發(fā)現(xiàn)。因此，這一次費米國家實驗室將繼續(xù)測量Muon粒子的反常磁矩。這一次，費米國家實驗室可以制造出數(shù)量更多、純度更高的Muon粒子束，并且實驗精度相比于布魯克海文國家實驗室也將提高4倍，這將是人類進行的最精密的實驗之一。
在費米國家實驗室，大量的Muon粒子將在粒子加速器中通過碰撞產(chǎn)生。在粒子加速器中，大量的質(zhì)子經(jīng)過加速之后，每秒鐘進行12次碰撞，這種碰撞將粉碎質(zhì)子，產(chǎn)生大量的Pion介子，Pion介子之后又將會迅速衰變成為Muon粒子。Muon粒子束將會被導入有著外加強磁場的粒子存儲環(huán)中。在這里，Muon粒子將會被加速到將近光速，根據(jù)狹義相對論“鐘慢尺縮”的效應，相當于Muon粒子的生命被延長，大約可以存在64毫秒，在這段時間內(nèi)，物理學家們將會仔細測量它們的反常磁矩。
當Muon粒子處在一個外加磁場中時，就像一個羅盤一樣，它會試圖使自身的磁場與外部的磁場指向同一個方向。但是因為自身的旋轉(zhuǎn)阻止它改變磁場方向，就會出現(xiàn)進動效應，這種效應會因為虛擬粒子的存在而發(fā)生改變。根據(jù)粒子標準模型的預測，給出了Muon粒子異常磁矩的精確數(shù)值，但是在此前布魯克海文國家實驗室的實驗中，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了實際數(shù)值可能與標準模型給出的數(shù)值不相符合，如果這個結(jié)果在精度更高的費米國家實驗室得到驗證，那么就說明在自然界中可能還存在著目前人們還不了解的基本粒子或是相互作用，而且這種基本粒子或者基本相互作用并沒有被包含在標準模型之中，這將開啟粒子物理學研究的一扇大門。
費米國家實驗室的Muong-2實驗預計將在2016年開始收集數(shù)據(jù)，物理學家們盼望著能夠通過這個實驗打破此前辛苦建造完成的粒子標準模型，而正是通過這樣的不停努力，我們才能實現(xiàn)物理學的進化。
（本文參考了費米國家實驗室網(wǎng)站的相關(guān)內(nèi)容）
