作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2013-6-20 9:13:18
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μ介子实验大搬家 有望颠覆粒子物理学标准模型

研究人员为储存环制定旅行路线。
图片来源:布鲁克海文国家实验室
 
要去一个新地点,GPS导航仪会告诉你应该怎样走。如果你询问它如何从美国纽约厄普顿到芝加哥西郊,它会告诉你沿着80号州际公路一直向西行驶14个小时即可,而不是花费6周时间乘驳船沿东海岸向南航行,绕过佛罗里达州,穿过墨西哥湾,沿密西西比河溯流而上。
 
然而当一个大件的实验设备从美国布鲁克海文国家实验室动身,朝着费米国家加速器实验室(Fermilab)的新家行进时,蜿蜒5000多公里的行程将是一个挑战。该设备—— 一台粒子加速器的储存环——有15米宽、14吨重。它比瓷器茶具更加易碎,这便是并非任何路线都能走的原因。
 
这个储存环是一个名为“μ介子g-2”的实验的一部分。该实验于1999年至2001年间在布鲁克海文国家实验室进行。从20世纪40年代开始,物理学家在精确测量μ介子旋磁比时发现,g的数值并不是精确等于2,而是有大约1%的误差。因此,g与理论值的差距:g-2被称为“反常磁矩”,根据现代物理学的解释,反常磁矩的出现与在真空中出现的“虚拟粒子”和μ介子的相互作用有关。
 
物理学家测量了大约1亿个μ介子。但是,当布鲁克海文国家实验室测量g-2达到百万分之0.7的精度时,其结果与粒子物理学标准模型不相符——这意味着存在未发现的虚拟粒子与μ介子相互作用。
 
“我们发现了一种非常有趣的、诱人的新物理现象。”“μ介子g-2”实验的联合发言人、华盛顿大学物理学家David Hertzog说。然而要最终确定,结果需要达到一个5西格马的标准偏差。“μ介子g-2”实验得到的最大标准偏差值为3.6西格马。这是一个诺贝尔奖级别的发现,还是仅仅为一次统计波动呢?“我觉得试图解决这个问题是一个科学义务。你不会想将问题留在那里。”Hertzog说。
 
要更精确地重复实验,研究人员需要更多μ介子,布鲁克海文国家实验室加速器已经无法提供。其间,Fermilab恰好正在寻找自己的旗舰加速器——万亿电子伏加速器——于2011年关闭后,能够使用该实验室产生的高强度粒子束的实验项目。于是,两个实验室的科学家酝酿了一个计划,将实验从美国东海岸搬到中西部地区。
 
钢支架等部件很容易打包,并经历14小时的车程就到了新家。其他已经过时的部件可能需要重新建造。但是,设备不可或缺的一部分:储存环的低温恒温器,需要从纽约的布鲁克海文国家实验室运送到位于伊利诺伊州的FermiLab,其间距离约5100公里。低温恒温器中存放着能产生实验均匀磁场的易碎超导线圈。“我们希望测量真空里的不均匀性,不希望测量磁铁的不均匀性。”致力于“μ介子g-2”实验新探测器工作的Fermilab物理学家Brendan Casey说,“因此我们需要一个完美的磁铁。”
 
“没有其他磁铁能像这个一样。”参与“μ介子g-2”实验的布鲁克海文国家实验室物理学家Bill Morse说。要在Fermilab建造另一个同样的设备可能要花费超过2500万美元。而另一方面,给它搬家可能只需要花费300万美元。问题十分明确:他们要穿过一半的美国国土运送储存环,而非拆掉低温恒温器及其脆弱的线圈。
 
“μ介子g-2”项目主管Chris Polly表示,“当我们在数年前首次讨论这个问题时,曾考虑用直升机将它运送”到一艘等待的驳船上。但是他们无法找出一条通过伊利诺伊州郊外的路线,那里缺乏居民—— 一旦储存环意外坠落地面,这是一个必要的安全预警措施。于是科学家转而向重载运输公司“埃莫特国际”寻求帮助。
 
经过数月的可行性研究,项目组确定了运送储存环的方案:利用卡车以每小时10公里的速度,在夜间封闭高速公路上运输设备到渡船。媒体报道称,整个运输工作从今年6月初开始,直到7月末储存环才会到达Fermilab。
 
超导线圈无法处理超过2毫米的偏转,因此在整个运输过程中,低温恒温器将由一个40吨的运输夹具固定,它将位于储存环的内部,并用8根辐条固定,将其固定在类似自行车轮胎的位置。“我们从未进行过一个如此精细的项目。”“埃莫特国际”执行副总裁Terry Emmert说。
 
尽管圣劳伦斯河海道和五大湖能提供到芝加哥更短的通道,但是项目组决定沿密西西比河和伊利诺伊河到莱蒙特。从那里开始,一辆卡车将完成最后的接力赛。南部路线将节约30万美元,且气候更适宜。“我们将会咬着指甲度过几周时间。”Hertzog说。
 
一旦储存环到达Fermilab,物理学家将在明年重新装配实验和添置新的探测器。然后研究人员将为它填补液态氦、测试线圈,并最后检验他们煞费苦心的绕道是否值得。(张章)
 
《中国科学报》 (2013-06-20 第3版 国际)
 
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