妙子漫谈 | 洪然

组成宇宙万物的基本粒子，17个格就能写下，比元素周期表简单多了。有时我会开玩笑说，这就是我学物理不学化学的原因。电子是大家再熟悉不过的粒子了，随便找一件东西摸一下，其实就手上的电子云和摸的物体的电子云之间的碰撞。而μ子好像是胖了几圈的电子一样，除了质量是电子的200多倍，其他性质都非常类似。正是因为它这么重，它可以通过弱相互作用衰变成电子和两个近乎无质量的中微子。弱相互作用是宇宙四大基本相互作用：强、电磁、弱、引力相互作用之一。粒子物理学标准模型，当今物理学描述微观粒子世界的最精确理论，把这些基本粒子强、电磁、弱相互作用都包含在它的理论框架内。它预言的各种粒子性质和粒子间的反应，也都一一被实验验证。目前标准模型最精确地预言，就是电子的反常磁矩。大家都知道，电子是带电的。在20世纪初，科学家还发现电子是有自旋的。人们可以把它想象成一个旋转的陀螺，带有角动量，但是电子的自旋角动量大小是固定的。旋转的带电粒子就会产生一个磁矩。整个电子就像一个旋转的带电的小磁铁，而它磁矩的大小是可以通过量子电动力学精确计算出来。所谓的g因子，就是电子磁矩的一个量度。根据Dirac最开始的量子力学模型，电子的g因子是2。后来Schwinger把更多的量子力学效应考虑进来，发现g因子是稍微偏离2的，物理学界把这个偏移量称为g-2。目前电子的g-2最精确测量值是0.002 319 304 362 56 (35)，符合标准模型的计算结果。μ子的g-2就是我们这个实验要测量的。它的故事开始的时候和电子的g-2是一样的，理论预言与实验测量相互符合。直到2006年，Brookhaven国家实验室公布了最新的μ子的g-2实验结果，与标准模型的计算值有明显偏差。在接下来的研究中，理论计算精度得到进一步提高，两者的差别达到3.5个标准差之多。也就是说，我们有99.98%的把握，粒子物理标准模型是不能描述μ子的反常磁矩的。这就像给新的物理模型打开一扇窗户。现有的物理模型必须引入新的粒子，新的相互作用，才能精确描述μ子与磁场的相互作用。那么“新的物理”会是什么呢？其实g因子偏离2，就是因为μ子除了直接与磁场相互作用，还可能在这个过程中“偷偷”和真空中的“虚粒子泡泡”发生相互作用。在量子场论的模型里，真空并不是一无所有，而是一直不断产生、湮灭正反粒子对。这些正反粒子“泡泡”虽然对时间做平均后依然是一无所有，但是它们会对实粒子之间的相互作用产生影响。

这些虚粒子对μ子与磁场的相互作用的影响是可以用标准模型计算的。但是，这种计算只包含了标准模型内各种粒子产生的“泡泡”。一旦实验上测量的g-2值与理论计算不符合，就意味着这些“泡泡”里有我们还没有发现的粒子。其实很多物理学家早就看标准模型不爽。一个重要原因就是它并没有给暗物质留任何位置。虽然暗物质人们只是通过观察星系的运动才相信它的存在，但是人们总是想把它们也放在量子场论的框架下。

很多理论物理学家已经写了很多新的理论，预言了新的粒子，但是想直接用对撞机产生这些粒子，恐怕以人类的技术近期内无法实现。但如果这些粒子真的存在的话，影响μ子g-2的“泡泡”里可能就有这些粒子。所以，到底μ子g-2实验测量值与标准模型的偏差是实验误差还是真实存在，对理论物理界事关重大，99.98%的把握是不够的。两者的偏差必须达到5个标准差才能让人信服。想达到这个目标，实验和理论都要有所改进，将误差进一步降低。于是从2009年前后在一批物理大佬的带动下，选址在Fermi国家实验室的新Muon g-2实验轰轰烈烈开始了。

在实验上测量μ子的反常磁矩，科学家们会把用加速器产生的μ子储存在磁场里，然后测量它自旋方向绕着磁场方向进动的频率。这个进动频率除以磁感应强度再乘以一些常数（普朗克常数，光速之类）得到的就是(g-2)/2的值。测量μ子的自旋进动并非易事，不像教科书上画的图，真实世界里的μ子是不会自带箭头指向其自旋方向的。科学家们必须想办法把μ子的自旋方向转化为实验上可观测的量。这里弱相互作用的性质帮了大忙。还记得杨振宁和李政道提出的弱相互作用宇称不守恒吗？弱相互作用的这个性质决定了μ子衰变后释放的电子方向是与μ子的自旋方向关联的。在一番涉及相对论的计算后，人们发现μ子的自旋进动频率是与探测到的电子能量随时间的振动频率是一样的。所以，只要我们记录了μ子衰变出的电子的能量和衰变发生的时间，就能分析出它的自旋进动频率。μ子衰变出的电子因为动量已经不是原来μ子的动量，会脱离储存环的磁场，打在氟化铅探测器上。这些电子都是以近光速进入氟化铅探测器，产生Cerenkov辐射，发出微弱的光。在氟化铅探测器后装有SiPM（硅光电倍增器），把这些微弱的光信号放大成电脉冲。这些探测到的电脉冲会被数模转换器记录为数字信号，存储在实验室的硬盘和磁带上。其实探测基本粒子并不复杂，关键是要把它们留下的痕迹转换成光、电这些人们100年前就研究很清楚的东西。不过这100年来人类在工程上的进步，已经让我们可以把这么微弱的信号放大到可以探测的强度，并且能在纳秒的时间尺度去记录这发生的一切。有了这些仪器，我们才有可能去精密的研究基本粒子的各种性质。除了μ子的自旋进动频率，储存μ子的磁场也需要被测量。我所在的Argonne国家实验室研究组就是主要负责用核磁共振探头测量磁场。核磁共振可能大家都在医疗成像领域听说过，其实核磁共振的原理就是让一个射频信号的频率与原子核在磁场里的进动频率相同，然后用这个射频信号去操纵原子核，再探测之后原子核发出的信号。说穿了，我们就是用质子在磁场中的进动频率来度量磁场。

实验的原理说起来固然简单，但是真正把每一步做好，可以用“势比登天”来形容。这里可能又要省略描述2016-2021这几年艰辛历程的几万字，只记录几个难忘的瞬间和刻骨铭心的回忆。2013年，原来在Brookhaven实验室的μ子储存环磁铁沿美国东海岸和密西西比河运到Fermi实验室。经过拆解，长途跋涉，重新组装，谁也不能保证它还能正常运行。当大家看到这个超导磁铁被冷却到液氦温度，并把电流加到5000A时，才松了口气。之后又是好多年的磁场微调，探测器安装，加速器升级，直到2017年夏天，这个实验才正式开机。2017年7月，在一个炎热的夏日，第一束混着很多质子μ子注入g-2实验的储存环，我们也第一次看到了μ子自旋进动的信号。我们十几个有幸能目睹这一刻的人当晚就在Fermi村里的酒馆庆祝了一下。但在开机调试不久后，我们又发现很多仪器并不是像设计的那样完美，很多新问题需要解决。有一次为了解决一个紧急问题，我和几位同事在中国新年除夕之夜忙到半夜2点。离开实验楼前我回头看了一下整套仪器，感叹让这么多部件同时不出问题真是不容易。

又经过了半年的调试与修理，实验终于在2018年4月初稳定运行，连续采集了2个多月的数据。即使是在稳定采数据的阶段，依然会有各种紧急情况需要科研人员半夜爬起来去解决。就拿我负责的磁场扫描装置来说，很多扫描要在夜间进行。扫描仪有时候也会因为各种原因被卡住，操作员这时候就要打电话找我去解决问题。我们终于有了第一批数据，接下来又是漫长的数据分析过程。每一种系统误差都有人负责研究怎么修正，怎么确定最后的误差值。在数据分析的过程中，也总是会发现一些之前没有考虑到的误差来源，这时候可能还需要在后续实验中进行有针对性的测量来确定第一批数据的系统误差。

2017年g-2合作组聚餐华人合影

我的思绪又回到g-2的第一批数据结果发布会上。Aida El-Khadra教授和我们的合作组发言人Chris Polly分别讲了这个实验的理论背景和实验方法。最后Polly把我们在2月份内部实验结果确认会的录像向所有人公布。为了防止我们在数据分析时受到人的主观判断影响，实验仪器的一些参数是保密的。其实没有人能够完全做到中立。如果一个人想用这个实验去证明标准模型是对的，那么极有可能这个人在误差分析没有做完全，但是结果符合标准模型预言的时候，就停止分析，发表结果。所以，我们把实验中用来测量μ子自旋进动频率的时钟稍微调偏一点，偏离值由合作组之外的人严格保管。等我们对自己的分析方法胸有成竹时，保密人再告诉我们这个偏离值，我们用它来计算最终的分析结果。这个过程很多人戏称“打开盒子”。整个第一批数据的分析整整经历了两年半的时间。终于，合作组的所有人都同意最后的数据分析方案，可以打开盒子看最终的结果了实验结果和Brookhaven的实验结果高度一致，两者合在一起后与标准模型的偏差达到4.2个标准差！这几个月刻意压抑的喜悦终于可以见天日了。这个结果也会让做理论的同事们兴奋一阵子，毕竟从今以后我们更加确信标准模型以外的粒子确实在影响着已知粒子的行为。

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这一行字出现在屏幕上的时候，隔着屏幕我都能感受到大家的喜悦。在这四年多的历程里，我很荣幸能和这么多世界顶尖科学家一起为这个目标奋斗，看着我们的实验项目成长。在这个过程中，有奋战多年的博士生毕业了，有年轻的博士生加入了，有的博士后终于在科研行业内找到了职位，有的博士后最终还是选择去了工业界，有几位老一辈的科学家，最终还是没有等到第一批数据结果出来的那一天。在我们公布结果的报告中，或许很多人只看到了那一串数字。但是为了得到这个数，几百位科学家工程师付出的心血与汗水，是无价的。对于从这个实验的最初策划时就在这个团队的人来说，这真的是十年磨一剑。不少人曾经问过我，为了这个结果付出这么多值不值？我的答案是：“没有值不值得的问题，只有愿意不愿意的问题。”真正做科学的人，能做下去只需一个动力，就是从孩童时期就没有变过的对自然的好奇心。如果还需要一个，那就是要把千百年来人类积累的对自然界的认识传承下去。另外，有了20年的科学知识积累，你再听科学报告将不再像听天书一样，诺奖级别的科研成果，你也不会觉得无法理解。有了知识，才能从一个新的高度去体会万事万物的美。就像徐一鸿在《可畏的对称》里写道：“让我们先重视‘美’吧，‘真’的问题会自然解决的”。我转述一下：“科学在于求真，更在于求美”。

Muon g-2实验依然在运行，2019年后的数据分析也刚刚起步。目前公布的结果，也只是整个实验计划的冰山一角。我虽然已经离开这个合作组开始了新的征程，但我相信我过去的战友们会把这个项目进行到最后，给出一个可以为整个人类文明负责的结果。我也希望美丽的Fermi实验室，能继续生产更多的美丽的科研成果。