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交大学者深度解读费米实验室缪子反常磁矩实验的最终物理结果

2025年6月4日,李政道研究所举办主题为 “Final Results from the Fermilab Muon g-2 Experiment” (费米实验室缪子反常磁矩实验的最终物理结果)的特别学术报告,吸引了线上线下70余名师生参与。本次报告主讲人为李政道研究所青年学者Kim Siang Khaw(许金祥),李政道研究所讲席教授何小刚担任报告主持人。

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费米实验室的缪子反常磁矩实验于北京时间6月3日晚11点公布了最终结果:其最新的测量结果不仅与2021年及2023年发布的结果高度一致,更将测量精度提升至前所未有的一千万分之一点二七,超越实验最初设定的目标(一千万分之一点四),给出了当前最精确的缪子反常磁矩测量结果。尽管理论计算的最新结果削弱了缪子反常磁矩中的新物理迹象,但此次实验的高精度结果依然可为未来标准模型的扩展提供严格的限制。上海交通大学团队在本实验中对缪子自旋反常近动频率的精确测量及其束流动力学修正做出了重要贡献。

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许金祥以“Final Results from the Fermilab Muon g-2 Experiment” 为主题解读了费米实验室缪子反常磁矩实验的最终结果。他指出,目前粒子物理标准模型尚有许多未解之谜,实验家通过直接探测、直接产生和间接测量三大方法来寻找未知的基本粒子和作用力。缪子反常磁矩的精确测量属于间接测量方式,通过提高实验测量精度,可以验证标准模型中各种相互作用对缪子反常磁矩的贡献,二者存在的偏差则可能揭示未知的新物理。费米缪子反常磁矩实验于2008年提出、2012年立项、2017年完成实验搭建和试运行、从2018年到2023年共采集了一千亿个缪子衰变的宝贵数据。缪子反常磁矩的测量主要分成三个部分:第一部分是把极化缪子束流注入到超导储存环、第二部分是超导储存环中缪子储存区域的磁场测量、第三部分则是缪子自旋近动频率的测量。该实验除了改进磁场测量和自旋近动频率测量方法以外,在采集第五批数据时也使用了射频静电四极子,大幅降低了缪子束流整体振荡的幅度,使相关系统偏差降低了10倍左右。2025年5月20日晚11:40,百余位合作组成员在线见证了盲法分析结果的揭晓。最终测量结果不仅与2021年及2023年发布的结果高度一致,更将测量精度提升至前所未有的一千万分之一点二七。该测量值将成为长期被引用的标准。

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报告会还特别安排了圆桌讨论环节,特地邀请了中国科学院理论物理研究所研究员、河南师大理论物理中心主任杨金民教授、中国科学院高能物理研究所袁野研究员、华东理工大学廖玮教授、上海交通大学物理与天文学院李亮教授、中山大学唐健教授和上海交通大学李政道研究所许金祥副教授担任圆桌讨论专家,共同探讨实验结果对理论及实验物理的深远影响,及展望中国未来的缪子发展规划。

杨金民教授在对实验组表示热烈祝贺的同时,解释这一结果将会对超对称的探索有深刻影响,老结果所需要的轻超对称粒子的质量上限将变成质量下限,也就是超对称粒子变得更重。虽然高亮度的 LHC仍有希望发现个别的超对称粒子,全方位的探索超对称需要更高能量更高亮度的对撞机比如CEPC。

袁野研究员表示缪子反常磁矩实验的最新成果为缪子物理实验界树立了良好的标杆。他计划在2028年左右领导轻子味破坏寻找实验COMET给出实验组第一批结果。并期待年轻科学家未来在中国的缪子源上取得大量世界领先的物理成果。

廖玮教授表示我们需要在实验方面开发新的技术,以进一步提高实验的灵敏度,或者利用全新的技术来研究新物理现象。

唐健教授表示此次的结果令人振奋,是粒子物理界最精确的测量结果之一。他补充道,在不久的将来国内将会有缪子源,可以利用这些缪子源做出具有中国特色的贡献。他目前牵头的正反缪子素转化实验MACE有望将现有实验精度提高两个量级以上。

李亮教授表示接下来还有多个与缪子反常磁矩相关的实验,比如日本J-PARC研究所的缪子反常磁矩实验和欧洲CERN的MUonE实验,这两者分别将提供新的方法来验证费米实验室的结果和理论计算的结果。

许金祥副教授表示我们需要更系统性地去探索新物理可能存在的参数空间。缪子反常磁矩实验(g-2)、缪子电偶极矩实验(muEDM)、轻子味破坏过程寻找实验(COMET)、正反缪子素转换实验(MACE)等等实验研究的参数空间都是互补的,可以使用类似有效场论的方式对新物理进行“围攻”。他目前也通过国际合作培养国内的缪子实验青年人才,希望在国内的缪子源建设完成之后可以直接开展实验工作。

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费米实验室缪子反常磁矩实验的最终结果,不仅刷新了测量精度纪录,更为理论物理研究提供了关键约束。随着全球多个实验项目的推进,缪子物理或将成为揭开新物理之谜的重要突破口。中国科学家正积极布局,未来有望在该领域贡献更多“中国智慧”。

李政道研究所
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孟闻卓
钱露