物理学家寻找线索来解开宇宙之谜的一种方法是将物质粉碎在一起并检查碎片。但这些类型的破坏性实验虽然提供了令人难以置信的信息，但也有其局限性。

我们是两位科学家，他们使用瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机研究核物理和粒子物理。我们的团队与一个由核和粒子物理学家组成的国际小组合作，意识到之前研究的数据中隐藏着一项非凡的创新实验。

在《物理评论快报》上发表的一篇新论文中，我们与同事开发了一种新方法，用于测量tau粒子摆动的速度。

我们的新颖方法着眼于加速器中进入的粒子彼此呼啸而过的时间，而不是它们在正面碰撞中碰撞在一起的时间。令人惊讶的是，这种方法能够比以前的技术更准确地测量tau粒子的摆动。这是近20年来科学家们第一次测量这种摆动，即tau磁矩，它可能有助于阐明已知物理定律中出现的诱人裂缝。

为什么要测量摆动?

电子是原子的组成部分，它有两个较重的表亲，称为μ子和tau子。金牛座是这个三口之家中最重的，也是最神秘的，因为它们只存在极短的时间。

有趣的是，当你将电子、μ子或τ子放入磁场中时，这些粒子的摆动方式类似于陀螺在桌子上摆动的方式。这种摆动称为粒子的磁矩。使用粒子物理学标准模型(科学家关于粒子相互作用的最佳理论)可以预测这些粒子摆动的速度。

自20世纪40年代以来，物理学家一直对测量磁矩感兴趣，以揭示量子世界中有趣的效应。根据量子物理学，粒子和反粒子云不断地出现和消失。这些短暂的波动会稍微改变电子、μ子和τ子在磁场内摆动的速度。通过非常精确地测量这种摆动，物理学家可以深入观察这片云，以发现尚未发现的粒子的可能线索。

测试电子、μ子和τ子

1948年，理论物理学家朱利安施温格首次计算出量子云如何改变电子磁矩。从那时起，实验物理学家测量了电子摆动的速度，精确到了小数点后13位。

粒子越重，由于其量子云中潜伏着未被发现的新粒子，其摆动变化就越大。由于电子很轻，这限制了它们对新粒子的敏感性。

μ子和τ子比电子重得多，但寿命也短得多。虽然μ子的存在时间仅为微秒，但芝加哥附近费米实验室的科学家们在2021年测量了μ子的磁矩，精确到小数点后10位。他们发现μ子的摆动速度明显快于标准模型的预测，这表明μ子的量子云中可能出现了未知粒子。

Taus是该家族中最重的粒子，质量是μ子的17倍，是电子的3,500倍。这使得它们对量子云中潜在的未被发现的粒子更加敏感。但τ子也是最难看到的，因为它们的寿命只有μ介子存在时间的百万分之一。

迄今为止，对tau磁矩的最佳测量是在2004年使用欧洲核子研究中心现已退役的电子对撞机进行的。虽然这是一项令人难以置信的科学壮举，但经过多年的数据收集，该实验可以将tau蛋白的摆动速度测量到小数点后两位。不幸的是，为了测试标准模型，物理学家需要精确10倍的测量。

铅离子在未遂事件中的应用

自2004年测量tau磁矩以来，物理学家一直在寻找测量tau摆动的新方法。

大型强子对撞机通常将两个原子的原子核粉碎在一起，这就是它被称为对撞机的原因。这些正面碰撞产生了包括τ子在内的碎片的烟花表演，但嘈杂的环境妨碍了对τ子磁矩的仔细测量。

2015年至2018年，欧洲核子研究中心进行了一项实验，其主要目的是让核物理学家研究正面碰撞中产生的奇异热物质。该实验中使用的粒子是被剥夺了电子的铅核——称为铅离子。铅离子带电并产生强电磁场。

铅离子的电磁场包含称为光子的光粒子。当两个铅离子碰撞时，它们的光子也可以碰撞并将所有能量转化为一对粒子。科学家们正是利用这些光子碰撞来测量μ子。

这些铅离子实验于2018年结束，但直到2019年，我们中的一员JesseLiu与英国牛津的粒子物理学家LydiaBeresford合作，并意识到来自相同铅离子实验的数据有可能用于做一些新的事情：测量tau的磁矩。

这个发现完全令人惊讶。事情是这样的：铅离子非常小，以至于在碰撞实验中它们经常会错过彼此。但有时，离子会彼此非常靠近地通过而不接触。当这种情况发生时，它们伴随的光子仍然可以碰撞在一起，而离子则继续快乐地飞行。

这些光子碰撞可以产生各种粒子，例如之前实验中的μ子，以及τ子。但如果没有正面碰撞产生的混乱烟火，这些险些发生的事件要安静得多，非常适合测量难以捉摸的钛蛋白的特征。

令我们兴奋的是，当团队回顾2018年的数据时，这些铅离子确实产生了tau粒子。一个新的实验隐藏在众目睽睽之下!

二十年来首次测量tau摆动

2022年4月，CERN团队宣布，我们发现了铅离子未遂事件中产生tau粒子的直接证据。利用这些数据，该团队还能够测量tau磁矩——这是自2004年以来首次进行此类测量。最终结果于2023年10月12日发布。

这一具有里程碑意义的结果将tau蛋白的摆动测量到了小数点后两位。令我们惊讶的是，这种方法仅使用2018年记录的一个月数据就追平了之前的最佳测量结果。

在近20年没有任何实验进展之后，这一结果为测试标准模型预测所需的精度提高十倍开辟了一条全新且重要的道路。令人兴奋的是，更多数据即将出现。

大型强子对撞机经过例行维护和升级后，于2023年9月28日刚刚重新启动铅离子数据采集。我们的团队计划到2025年将铅离子未遂事件数据的样本量增加四倍。数据的增加将使tau磁矩测量的精度提高一倍，分析方法的改进可能会更进一步。

Tau粒子是物理学家了解神秘量子世界的最佳窗口之一，我们对即将到来的结果可能揭示宇宙基本性质的惊喜感到兴奋。

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