我们如何发现新粒子或自然力的暗示

七年前，一块巨大的磁铁在陆地和海洋上运输了3,200英里(5,150公里)，以期研究一种名为μon的亚原子粒子。

介子与电子紧密相关，电子绕每个原子运动并构成物质的构造块。电子和介子都具有通过我们当前描述亚原子，量子世界和粒子物理学的标准模型的最佳科学理论精确预测的性质。

整整一代的科学家都致力于精确地测量这些特性。在2001年的一项实验中，暗示该介子的一个特性与标准模型所预测的不完全相同，但需要进行新的研究来确认。物理学家将实验的一部分移至Fermilab的新加速器，并开始获取更多数据。

现在，一项新的测量结果已确认了初始结果。这意味着可能存在标准模型中未考虑的新粒子或新力。如果是这种情况，则必须修改物理定律，而且没人知道这可能会导致什么。

最新的结果来自国际合作，我们都是我们的一部分。我们的团队一直在使用粒子加速器来测量称为μ子磁矩的特性。

每个介子在暴露于磁场时的行为都像一块细小的条形磁铁，这种效应称为磁矩。介子还具有称为“自旋”的固有特性，并且自旋和介子的磁矩之间的关系称为g因子。电子和μ的“ g”被预测为2，因此g减去2(g-2)应该被测量为零。这就是我们正在费米实验室进行的测试。

对于这些测试，科学家使用了加速器，这与Cern在大型强子对撞机中使用的技术相同。费米实验室加速器产生大量的μ子，并非常精确地测量它们与磁场的相互作用。

介子的行为受“虚拟粒子”影响，“虚拟粒子”从真空中弹出或消失。它们短暂地存在，但是持续足够长的时间，以影响μ子与磁场的相互作用并改变测得的磁矩，尽管幅度很小。

标准模型非常精确地预测出这种效果是什么，而不是百万分之一。只要我们知道哪些粒子在真空中冒出或冒出气泡，实验和理论就应该匹配。但是，如果实验和理论不匹配，那么我们对虚拟粒子汤的理解可能是不完整的。

新粒子

存在新粒子的可能性并非闲置的推测。这样的粒子可能有助于解释物理学中的几个大问题。例如，为什么宇宙中存在如此之多的暗物质(导致星系旋转得比我们预期的快)，以及为什么大爆炸中几乎所有反物质都消失了?

迄今为止的问题是，没有人看到任何这些提议的新粒子。曾希望Cern的LHC能够在高能质子之间的碰撞中产生它们，但尚未被观察到。

新的测量方法使用的技术与本世纪初在纽约布鲁克海文国家实验室进行的实验相同，该技术本身也遵循了Cern的一系列测量方法。

Brookhaven实验测量出与标准模型之间的差异，该标准模型有5,000的可能性是统计fl幸。这几乎与连续12次投掷硬币全都抬起头来的概率相同。

这真是令人着迷，但远远低于发现的门槛，发现门槛通常要求要超过170万个，或者连续21个投掷。为了确定新物理学是否正在发挥作用，科学家们必须将实验的灵敏度提高四倍。

为了进行更好的测量，必须在2013年将位于实验中心的磁铁从长岛沿海和陆路移动3,200英里，移至芝加哥郊外的费米实验室，费米实验室的加速器可能会产生大量的μ子。

放置到位后，就可以使用最新的检测器和设备围绕磁铁进行新的实验。muon g-2实验于2017年开始收集数据，该实验是来自Brookhaven实验的退伍与新一代物理学家的合作。

来自费米实验室的第一年数据得出的新结果与布鲁克海文实验的测量结果一致。合并结果会加剧在实验测量与标准模型之间存在分歧的情况。现在，机会是大约40,000的差异，这是偶然的幸灾乐祸-仍比黄金标准发现门槛低。

大型强子对撞机

有趣的是，最近在Cern进行的LHCb实验观察也发现可能与标准模型存在偏差。令人兴奋的是，这还涉及介子的属性。这次是从较重的粒子产生μ子和电子的方式上有所不同。两种速率在标准模型中预期是相同的，但是实验测量发现它们是不同的。

综上所述，LHCb和Fermilab的结果加强了以下情况：我们已经观察到标准模型预测失败的第一个证据，并且自然界中会发现新的粒子或作用力。

为了最终确认，这需要来自Fermilabμon实验和Cern的LHCb实验的更多数据。未来几年将会有结果。Fermilab已经拥有的数据是当前正在分析的最新结果的四倍，Cern已开始获取更多数据，并且正在构建新一代的μon实验。对于物理学来说，这是一个激动人心的时代。

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