μ介子實驗大搬家有望顛覆粒子物理學標準模型

研究人員為儲存環制定旅行路線。

　　要去一個新地點，GPS導航儀會告訴你應該怎樣走。如果你詢問它如何從美國紐約厄普頓到芝加哥西郊，它會告訴你沿著80號州際公路一直向西行駛14個小時即可，而不是花費6周時間乘駁船沿東海岸向南航行，繞過佛羅里達州，穿過墨西哥灣，沿密西西比河溯流而上。

　　然而當一個大件的實驗設備從美國布魯克海文國家實驗室動身，朝著費米國家加速器實驗室(Fermilab)的新家行進時，蜿蜒5000多公里的行程將是一個挑戰。該設備—— 一臺粒子加速器的儲存環——有15米寬、14噸重。它比瓷器茶具更加易碎，這便是并非任何路線都能走的原因。

　　這個儲存環是一個名為“μ介子g-2”的實驗的一部分。該實驗于1999年至2001年間在布魯克海文國家實驗室進行。從20世紀40年代開始，物理學家在精確測量μ介子旋磁比時發現，g的數值并不是精確等于2，而是有大約1%的誤差。因此，g與理論值的差距：g-2被稱為“反常磁矩”，根據現代物理學的解釋，反常磁矩的出現與在真空中出現的“虛擬粒子”和μ介子的相互作用有關。

　　物理學家測量了大約1億個μ介子。但是，當布魯克海文國家實驗室測量g-2達到百萬分之0.7的精度時，其結果與粒子物理學標準模型不相符——這意味著存在未發現的虛擬粒子與μ介子相互作用。

　　“我們發現了一種非常有趣的、誘人的新物理現象。”“μ介子g-2”實驗的聯合發言人、華盛頓大學物理學家David Hertzog說。然而要最終確定，結果需要達到一個5西格馬的標準偏差。“μ介子g-2”實驗得到的最大標準偏差值為3.6西格馬。這是一個諾貝爾獎級別的發現，還是僅僅為一次統計波動呢?“我覺得試圖解決這個問題是一個科學義務。你不會想將問題留在那里。”Hertzog說。

　　要更精確地重復實驗，研究人員需要更多μ介子，布魯克海文國家實驗室加速器已經無法提供。其間，Fermilab恰好正在尋找自己的旗艦加速器——萬億電子伏加速器——于2011年關閉后，能夠使用該實驗室產生的高強度粒子束的實驗項目。于是，兩個實驗室的科學家醞釀了一個計劃，將實驗從美國東海岸搬到中西部地區。

　　鋼支架等部件很容易打包，并經歷14小時的車程就到了新家。其他已經過時的部件可能需要重新建造。但是，設備不可或缺的一部分：儲存環的低溫恒溫器，需要從紐約的布魯克海文國家實驗室運送到位于伊利諾伊州的FermiLab，其間距離約 5100公里。低溫恒溫器中存放著能產生實驗均勻磁場的易碎超導線圈。“我們希望測量真空里的不均勻性，不希望測量磁鐵的不均勻性。”致力于“μ介子g- 2”實驗新探測器工作的Fermilab物理學家Brendan Casey說，“因此我們需要一個完美的磁鐵。”

　　“沒有其他磁鐵能像這個一樣。”參與“μ介子g-2”實驗的布魯克海文國家實驗室物理學家 Bill Morse說。要在Fermilab建造另一個同樣的設備可能要花費超過2500萬美元。而另一方面，給它搬家可能只需要花費300萬美元。問題十分明確：他們要穿過一半的美國國土運送儲存環，而非拆掉低溫恒溫器及其脆弱的線圈。

　　“μ介子g-2”項目主管Chris Polly表示，“當我們在數年前首次討論這個問題時，曾考慮用直升機將它運送”到一艘等待的駁船上。但是他們無法找出一條通過伊利諾伊州郊外的路線，那里缺乏居民—— 一旦儲存環意外墜落地面，這是一個必要的安全預警措施。于是科學家轉而向重載運輸公司“埃莫特國際”尋求幫助。

　　經過數月的可行性研究，項目組確定了運送儲存環的方案：利用卡車以每小時10公里的速度，在夜間封閉高速公路上運輸設備到渡船。媒體報道稱，整個運輸工作從今年6月初開始，直到7月末儲存環才會到達Fermilab。

　　超導線圈無法處理超過2毫米的偏轉，因此在整個運輸過程中，低溫恒溫器將由一個40噸的運輸夾具固定，它將位于儲存環的內部，并用8根輻條固定，將其固定在類似自行車輪胎的位置。“我們從未進行過一個如此精細的項目。”“埃莫特國際”執行副總裁Terry Emmert說。

　　盡管圣勞倫斯河海道和五大湖能提供到芝加哥更短的通道，但是項目組決定沿密西西比河和伊利諾伊河到萊蒙特。從那里開始，一輛卡車將完成最后的接力賽。南部路線將節約30萬美元，且氣候更適宜。“我們將會咬著指甲度過幾周時間。”Hertzog說。

　　一旦儲存環到達Fermilab，物理學家將在明年重新裝配實驗和添置新的探測器。然后研究人員將為它填補液態氦、測試線圈，并最后檢驗他們煞費苦心的繞道是否值得。