创新背景

这项研究围绕着一个名为muon的亚原子粒子，这是一个与电子类似但约重200倍的粒子。物理学家们使用一个称为标准模型的理论来描述宇宙在最基本的层面上是如何运作的，然而，当前的标准模型可能在某些方面是不完整的，需要进一步的实验验证或修正。

muon是研究的核心，因为它具有独特的属性，特别是与磁场的相互作用方式，在标准模型的理论预测中，muon的一个关键属性，称为磁矩（通常由字母g表示），在最简单的情况下应该等于2，然而，muon与其周围的量子泡沫中的其他粒子的相互作用可能会导致这一值发生变化，这种量子泡沫是由瞬间出现和消失的粒子组成的，这些粒子会改变muon与磁场的相互作用方式，因此，对muon的磁矩的精确测量可能会为标准模型带来挑战或提供修正的线索。

此外，如果存在超出标准模型的新的未知粒子，它们也可能对muon的这一属性产生影响，这就是为什么这项研究对物理学家如此重要的原因：它可能会揭示新的粒子或力量的存在，这将有助于完善或扩展当前的物理理论。

在此背景下，Muon g-2实验团队于2021年4月首次公布了他们的实验结果，这一结果对标准模型构成了挑战，而在随后的几个月中，他们对muon的这一属性进行了更加精确的测量，并在8月10日公布了更新的数据，这一新的数据增强了他们之前的发现。

创新过程

这项研究主要集中在测量muon的一个特性，称为其“异常的磁矩”，这一测量旨在提高之前结果的精确度，并与理论预测进行对比。

为了进行这一测量，Muon g-2合作组将一束muon发送到一个直径50英尺的超导磁性存储环中，在这里，muon以接近光速的速度绕环旋转大约1000次。环的内侧装有探测器，使科学家们能够确定muon的进动速度，即muon内部磁体在外部磁场中的旋转或摆动速度，为了准确确定g-2的值，物理学家们还必须精确测量磁场的强度。

密歇根大学研究生David Aguillard开发了一种氦-3磁力计，用于校准美国能源部费米国家加速器实验室的μ介子g-2实验的磁场测量值。

此外，这项实验的一部分是在超导磁环中测量muon如何与磁场相互作用，以及这种相互作用是如何被其周围的量子泡沫中的其他粒子所影响的，当这些粒子在muon周围瞬时出现和消失时，它们就像亚原子舞伴一样，改变了muon与磁场的相互作用方式。

在研究过程中，Chupp领导的一个团队专门测量了将muon固定在Fermilab磁体中的磁场，这个磁场是muon摆动的原因，同时，该团队还使用了一种新颖的helium-3磁强计对所有的磁场测量仪器进行了校准。

密歇根大学研究生David Aguillard开发了一种氦-3磁力计，用于校准美国能源部费米国家加速器实验室的μ介子g-2实验的磁场测量值。

值得注意的是，Fermilab实验重复使用了一个存储环，这个环最初是为DOE的Brookhaven国家实验室在2001年结束的Muon g-2实验而建的，2013年，合作组将存储环从纽约的长岛运到了伊利诺伊州的巴塔维亚，在接下来的四年里，他们组装了实验设备，并改进了他们的技术、仪器和仿真，Fermilab实验的主要目标是与Brookhaven的结果相比，将g-2的不确定性减少4倍。

此次研究的最终目标是通过六年的数据收集来提供对muon异常磁矩的最准确测量，然后与标准模型的理论预测进行对比。

创新价值

增进对宇宙基本工作原理的理解：muon的性质和行为对于理解宇宙如何在最基础的层面上运作是至关重要的，当前的标准模型已经描述了大部分已知的物理现象，但如果实验结果与理论预测不符，那么可能意味着存在超出标准模型的新物理学。

推动新领域的探索和发现：实验可能揭示了尚未发现的粒子或力量的存在，这些粒子或力量可能影响muon与磁场的相互作用，这类新的发现可能会开启物理学的新篇章，导致新的技术和应用的产生。

技术进步和创新：为了进行这种高度复杂的实验，科学家们需要开发、优化和使用先进的技术和仪器，这些技术进步可能会在其他领域找到应用，从而推动各种工业和技术的进步。

国际合作与教育：这是一个国际性的合作项目，涉及来自七个国家的33个机构的181名科学家，这种跨国合作加强了国际之间的联系和交流，并为学生和年轻科学家提供了宝贵的学习和培训机会。

对未来的启示和影响：如果这项研究的结果确实表明存在超出标准模型的新物理学，那么这将为未来的研究方向提供线索，影响学术界的研究优先级和资金分配。

创新关键点

科学家们通过Muon g-2实验，新测量了muon的一个性质——异常磁矩，其精度比之前的结果提高了两倍，这个新的测量加强了他们在2021年4月宣布的首次结果，并与长达20年的理论和实验对比，为了进行测量，科学家们在一个50英尺直径的超导磁性存储环中，反复发送muon束，使其以接近光速的速度旋转大约1000次，探测器揭示了muon的进动速度，这与muon的磁矩有关。