费米实验室巨型磁铁踏上量子荒野的征途

两年前，一坨巨大的磁铁从纽约布鲁克海文通过佛罗里达和密西西比河来到伊利诺斯州费米实验室，但这还不是它最奇怪的事情。

磁铁到来时的费米实验室天现异象。Photograph: Fermilab

无限小的粒子，如电线里的电子和从太空中轰击我们的μ介子，都是微小的磁铁。这是因为它们带有角动量——自旋——并且也有电荷。

每当电荷移动，就会产生磁场，因此带自旋的电荷产生磁偶极子——像地球或任何其他磁铁一样有南北两极——并不是一个特别令人大吃一斤的事实。更令人惊讶的也许是，对这些磁偶极子的强度进行精确测量能让我们一窥甚至欧洲核子研究中心世界上最强大的粒子加速器大型强子对撞机都无法企及的物理学领域。

“就像是建造一块750吨的瑞士手表”
Chris Polly，费米实验室，项目经理

磁偶极子的强度与电荷和自旋乘积除以质量两倍成正比。与这三者相关的数字通常被称为“g”。(我认为这来自“旋磁比”缩写，但我不确定。)对于经典粒子来说，例如一个旋转、带负电荷的斯诺克球，g预计注1等于-1。然而，电子和μ介子都小到需要量子力学，具体地说是狄拉克方程，来准确地描述它们的行为。狄拉克方程预测g=-2，这是几乎正确的。对于电子来说实际的答案是-2.00231930436152，带0.00000000000054的不确定性[PDG]，这是世界上被最精确测量和计算的量之一。

μ介子的数值也非常相似，?2.00233184178带约0.0000000012的不确定性。因为μ介子没有电子那么常见也更难储存，正如人们所预料它的测量不如电子准确。但更有趣的是，μ介子的理论和实验并不一致，差异约为3.4西格玛。这种差异足以推动大量努力来更精确地计算和测量该数值。

重点是，g不精确等于2的原因是涉及其它具有微小瞬态圈量的粒子的量子修在发挥作用。如果测量和理论不一致，可能是因为这些标准模型中所没有的新粒子的圈量。其中一些粒子甚至可能具有如此之大的质量，以致于它们不能在大型强子对撞机中被直接看到，但它们的影响可以在μ介子的g中观察到，特别是g-2，也就是狄拉克预测中来自这些量子圈量的细微差异。

“这真正标志着实验获取数据的开始。”
Mark Lancaster, UCL

费米实验室的超精密二手磁铁的测量在本周开始。它是从做出过目前为止最精确测量的布鲁克海文转移到费米实验室的，因为费米有更强大的μ介子源，使得更精确的测量有可能进行。该磁铁设计用来产生一个强大均匀的磁场，当μ介子在磁场中运行时，其磁偶极子振荡，而从振荡中就能测量g。(整个实验如何工作的更多信息戳此。)

经过非常仔细地移动和重新组装磁铁的基础——“就像是建造一块750吨的瑞士手表，”该实验项目经理Chris Polly说——磁铁现在已经冷却下来。一千片特种低碳钢“夹铁”安装在磁铁的磁极片上，能提高磁场的均匀性一百倍。这些夹铁的加工尺寸精度远小于人类头发粗细，建造了一辆特殊的“夹铁车”来做这种测量：

磁铁磁极片之间的小“夹铁车”准备开始测量磁场。Photograph: Mark Lancaster/Fermilab

我的伦敦大学学院同事Mark Lancaster说：“这真正标志着实验获取数据的开始。最终我们我们需要以超过一千万分之一的精度来了解该场。”

如果与标准模型的分歧随着精度提高而增加，μ介子g-2实验可能会在回答标准模型中悬而未决的重大物理问题的道路上给我们指出第一个明确的路标。

1假设斯诺克球中的质量和电荷都以相同方式分布。