精確測量顯示繆子行為異常可能存在新的未知粒子

美國費米實驗室（Fermilab）進行的繆子（muon）反常磁矩實驗（Muon g-2）顯示，繆子的行為與標準模型理論預測不相符！上海交通大學繆子物理團隊帶頭人李亮教授參與的美國費米實驗室繆子反常磁矩實驗首批結果公佈，以前所未有的測量精度，為新物理的存在提供強有力證據。

繆子的質量比它的近親電子重二百倍，在宇宙射線穿透地球大氣層時自然產生，此外，費米實驗室裡的質子加速器也可以大量製造繆子。

李亮解釋說：「繆子與電子都有磁偶極矩，在外界強磁場的作用下，繆子的磁矩指向會發生進動（擺動）。繆子磁偶極矩的大小決定了它的進動頻率的大小，這兩者之間的比值被稱為g-因子，科學家可以精確計算出這一比值。」

李亮進一步表示，當繆子在磁場中旋轉時，也會與時空最深處起伏不定的量子泡沫（也被稱為虛粒子）相互作用，這些轉瞬即逝的量子泡沫會影響g-因子，使繆子進動的頻率加快或變慢。粒子物理標準模型可以精準預測這一反常的磁矩影響。但如果量子泡沫中包含新的作用力或粒子，g值會進一步改變。

2001年，布魯克黑文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）測得的g—因子數值比理論值偏大，顯示繆子的行為可能與標準模型不符，在物理學界引發轟動。二十年後，繆子反常磁矩實驗以更高的測量精度再次證實了這一偏差。

上海交通大學繆子物理團隊許金祥副教授介紹，在最新實驗中，研究人員將費米實驗室的粒子加速器產生的繆子束流送入一個直徑為十五米的超導磁鐵存儲環內，強大的磁鐵使繆子保持在圓形軌道上，利用放在環內側的探測器，可以精確測量繆子的進動頻率，從而獲得至今最精確g-因子值，且與布魯黑文國家實驗室得出的測量值相吻合。

許金祥說：「這兩個實驗結果結合起來，顯示繆子行為與標準模型之間不匹配的置信度為4.2倍標準方差，僅比5倍標準方差（科學家宣布發現的最終標準）略小，這是一個非常有力的證據，出現統計誤差的概率僅有四萬分之一。」這兩個實驗結果攜手，為新物理的存在提供強有力的證據，預示著世界上可能存在新的未知粒子或作用力。

【圖：費米實驗室；文：節錄自科學網頁；新聞訊息由林景明提供】