缪子物理实验现状及发展前景

寻找超出标准模型的新物理是当前粒子物理学最重要的任务之一.缪子物理实验,包括带电轻子味道破坏,缪子反常磁矩和电偶极矩,缪子素到反缪子素转换等是高强度前沿新物理研究的热点领域.文章介绍了国际上在这一领域开展实验的现状和展望,特别的,介绍了未来在中国开展相关实验的前景.     

新物理的魅影？——浅谈缪子g-2实验

正由于新冠疫情的影响,2021年4月7日上午,美国费米国家加速器实验室(Fermi National Accalorator Laboratory, FNAL)选择召开网络视频发布会,公布了缪子g-2实验组对于缪子反常磁矩的首个测量结果。一石激起千层浪,现有结果与粒子物理标准模型预言之间4.2倍标准差的偏离,不仅吸引了全球粒子物理学家的关注,也引来了媒体的目光。一时间,超出标准模型的新物理再次成为了大家讨论的话题。缪子是什么?"g-2"是什么意思?这个实验结果到底告诉我们什么?我们希望这篇小文能对大家大略地了解这些问题有所帮助。     

缪子反常磁矩浅析

正1.引言北京时间2021年4月7日费米实验室公布了缪子反常磁矩的最新结果,综合布鲁克海文国家实验室的数据后,平均偏差达到了4.2σ~(1)。根据高能物理中判定新发现的5σ原则,此次实验结果极大增强了粒子物理学家对于新物理的信心,粒子物理又爆发了新的生命力。那么为何物理学家们如此关心这个实验结果?其背后会对我们理解我们的世界带来怎样的帮助呢?     

北京谱仪实验物理成果

当前描述物质微观基本结构最成功的理论是粒子物理的标准模型,包括描述强作用力的量子色动力学,描述弱相互作用和电磁作用力的电弱理论。在量子色动力学方面,人们对夸克禁闭问题和低能非微扰性质还不能完全理解;在电弱理论方面,需要实验上提供更加精确的参数约束和检验。北京正负电子对撞机和北京谱仪实验是我国最早的大科学装置,也是目前国际上唯一运行在陶粲能量区域的高亮度实验装置,致力于在强子物理、量子色动力学的非微扰性质、电弱理论检验和寻找超标准模型的新物理等方面开展研究。文章将介绍北京谱仪多年来在实验上取得的科学成果,包括陶轻子质量精确测量、R值测量、奇特强子态研究和粲强子弱衰变测量等。     

R值测量及相关物理

工作在北京正负电子对撞机(BEPC)上的北京谱仪(BES)对2—5GeV能区的R值进行了精确测量.这一成果对寻找新物理和新粒子Higgs在国际高能物理界带来巨大冲击.本文对R值测量及相关物理,如μ子反常磁矩α_μ,QED耦合常数α(M_z²),μ子偶素的基态超精细劈裂(HFS)以及确定强耦合常数α_s和重夸克质量等的最新进展和未来展望在实验和理论两方面均作了较详尽的介绍.     

R值测量与标准模型检验

北京正负电子对撞机(BEPC)/北京谱仪(BES)在2—5GeV能区进行了两轮R值扫描测量，把该能区R值的误差降低到原有水平的一半左右. 这一结果对于精确确定QED跑动精细结构常数 、进而确定Higgs粒子的质量具有重要意义，同时对μ子反常磁矩α_μ的物理解释也有重要贡献.     

北京谱仪III实验上的粲介子物理

当前,描述自然界物质微观基本结构的最成功、最基本的理论是粒子物理的标准模型。该模型认为：自然界中的物质由三代夸克和三代轻子构成,四种基本相互作用中的电磁作用和弱作用能够用电弱统一理论描述,而强作用能够用量子色动力学理论描述。尽管标准模型在描述基本粒子及其相互作用方面取得了巨大成功,但在解释暗物质、暗能量和质量起源,以及强相互作用的非微扰性质理论描述等方面仍存在诸多问题。系统地研究各类强子衰变,精确检验标准模型、寻找超出标准模型的新物理是围绕上述问题开展的前沿课题。以下简要介绍基于我国大科学实验装置北京正负电子对撞机II上的北京谱仪III实验上的粲介子物理研究。     

Ψ′→KSKL的首次观测及其物理应用

利用北京谱仪采集的 1400万Ψ′数据,对粲偶素衰变到赝标介子对KSKL进行了寻找,首次观测到信号并测量了其衰变分支比,并首次确定Ψ′衰变中强振幅和电磁振幅之间的相角接近±90°.结合从北京谱仪采集的J/Ψ数据中测得的J/Ψ→KSKL的分支比,确定了Ψ′→KSKL相对于微扰量子色动力学“12%”规则的反常增强,对粲偶素的衰变机制研究提出了新的挑战.     

反常磁矩对弱磁场弱相互作用费米气体热力学性质的影响

考虑费米子的反常磁矩, 运用赝势法和热力学理论, 导出弱磁场中弱相互作用费米气体自由能的解析式, 以此为基础给出高温和低温情况下系统热力学性质, 分析反常磁矩对热力学性质的影响机理. 研究表明: 反常磁矩对热力学性质的影响与温度相关, 而且这种影响随温度的上升在低温区是增大的, 在高温区是减小的; 对于系统的化学势、内能, 反常磁矩加强了磁场的影响, 弱化了相互作用的影响; 对于系统的热容量, 反常磁矩在低温区使其减小, 在高温区使其增加.     

垂直场中稀土离子Dy3+对23Na NMR的影响

在用电磁铁NMR谱仪研究细胞内外Na⁺浓度的实验中,发现了一些与超导谱仪实验相异的现象,对这些现象进行理论分析,且认为可以由此测得稀土金属原子的磁矩。     

重Fermi子体系的自发磁矩和反常比热

本文提出重Fermi子体系是一种局域的f电子可以变化的Kondo体系.理论得到在特定温区可以产生自发磁矩,且由f带离Fermi面的距离之不同而存在不同类型的自发磁矩效应.理论并给出由于局域f电子的变化导致重Fermi子体系比热与温度的反常关系.理论与六种重Fermi子材料比热的实验值符合得相当好. 关键词：     

纳米颗粒在复杂生物介质中的反常扩散

由于生物微环境中存在各向异性等复杂物理因素影响,纳米颗粒在其中的扩散运动表现出反常的特征.反常扩散与生物微环境的功能实现有重要的关联,同时也是流体力学在微纳尺度方向的重要扩展.该综述系统介绍了近年来反常扩散研究的进展,从物理模型、数值模拟、测量方法及实验现象等方面揭示了纳米颗粒在复杂生物介质中的反常扩散机理及特征.该问题在微纳尺度流体力学、生物物理等领域是研究的热点,在理论上和实验时仍有重大挑战,有待进一步深入研究.      

ψ(2S)强衰变中矢量-张量介子末态的反常压制

利用在北京正负电子对撞机上北京谱仪采集的3.6×10⁶ ψ(2S)事例,测量了ψ(2S)新的强子衰变道ψ(2S)→ρα₂和K^*0K₂^*0+c.c.的分支比,发现二者相对于J/ψ的相应衰变道明显压制,破坏了微扰QCD理论预言的“15%规则”,从而继前已报道的ψ(2S)→ωf₂确认了另外两例末态为矢量与张量介子的ψ(2S)反常衰变.     

北京谱仪新物理研究亮点

值此北京谱仪BESIII实验发表500篇科学论文之际,本文尝试介绍BESIII在寻找超出标准模型新物理课题上的一些亮点工作。图1展示了粒子物理的标准模型中物质的基本组分粒子和传递基本相互作用的媒介粒子。BESIII实验工作的能量区间是2~5 GeV,主要是用来研究其中的粲夸克和τ轻子的性质,因而称之为陶-粲能区。由于工作在这样一个有非常丰富物理潜力的陶-粲能区,BESIII可研究的课题非常广泛。这个能区有丰富的共振态,包括粲偶素和粲强子,特别是该能区存在众多的阈值结构,包括D介子、Ds介子、粲重子和τ轻子等,都可以成对产生,利用这个特点可以开展其他能量区间无法进行的特色研究。这个能区也是微扰和非微扰量子色动力学（QCD）的过渡区域,具有研究QCD强相互作用的独特能力。我们还可以寻找奇特强子态,包括胶球、混杂态、多夸克态等。由于BESIII采集了大量的数据,有非常好的探测器性能和数据质量,我们可以用它来寻找新物理。     

BJL技术与阿贝尔陪集纯规范场理论手征反常的微扰论研究

本文首次进行了陪集纯规范场理论的微扰论研究.利用BJL技术,通过计算有关对易子的Schwinger项,得到了阿贝尔陪集纯规范场理论中的反常Ward恒等式.这一结果与相应的非微扰计算相符合.     

粲夸克偶素强衰变之谜

北京正负电子对撞机的最新实验研究结果在高灵敏度水平上展出了粲夸克偶素物理中的强衰变之谜，新反常衰变道的发现突破了这个谜的原有图像，对理论提出了新的挑战。     

对北京谱仪上新观测态的一个理论解释

最近, 北京谱仪在J/ψ的辐射衰变中发现, 在正反质子的阈附近有反常增强, 即可能存在共振态X(1860)和X(1835). 针对这一发现, 提出了新粒子的三胶子胶球态解释方案, 并且应用QCD求和规则计算了此胶球态的质量. 考虑到理论上的不确定因素, 计算结果表明该胶球态的质量峰位于1.9GeV到2.7GeV之间. 事实上, 北京谱仪发现的新共振态的确表现出了一些三胶子态的行为. 结论是, 此新粒子很有可能是重子偶素和胶球态的混合态.     

β–NMR和β–NQR谱仪的建立

介绍了在中国原子能科学研究院建成的我国第一台βNMR及βNQR谱仪.进行了¹²B的寿命、磁矩和极化度的测量,实验结果表明谱仪工作可靠     

北京谱仪实验30年物理成果

<正>自1989年北京谱仪运行30年来,我国陶粲能区物理实验研究从蹒跚起步到今天已经国际领先。北京谱仪实验在陶物理、粲物理、强子物理等方面取得了丰硕的成果,做出了包括陶质量精确测量(上左)、     

缪子源及多学科研究和应用

缪子作为粒子物理标准模型中基本粒子中的一种,因其易产生且性质独特,常被用来作为探针开展从粒子物理研究到基于一种所谓μSR (缪子自旋共振、旋转和弛豫的缩写)技术的多学科研究平台、再到缪束技术的应用等不同领域的科学研究,因此,高性能的缪子源是国际上综合性科学研究的重要实验平台。文章介绍缪子的基本性质、缪子束流的产生、主要应用领域、国际缪子源发展现状和趋势、特别是我国缪子源及缪子科学的发展潜力。随着中国散裂中子源实验缪子源的即将建设,我国缪子科学必将迎来一个极大的发展机遇。