妙子漫谈 | 洪然
当下需要的，不是关起门来相互竞争，而是让更多人能有更多机会去交流。
2021年4月7日
Naperville, IL, USA
2021年4月7日，度过漫长寒冬的伊利诺伊刚刚迎来了春天的气息。上午10点整，喝过一杯咖啡后，我打开zoom，开始听Muon g-2公布第一批数据分析结果的公开报告，悉心感受着这已经被盼望了两年多的一刻。我静静回想了过去四年的研究历程，头脑中有浮现出过去这几年那些或是喜悦，或是痛苦，或是激动，或是失落的一幅幅画面。想要用文字记录一下这些难忘的回忆，让它们不至于在忙碌的生活中被遗忘，但却觉得千头万绪，不知从何下笔。也许，整个故事还要从人和宇宙的关系讲起。
01
不寻常的世界
每当人们离开城市的喧嚣，投身于连绵的山脉，清澈的湖水，广袤的沙漠，葱翠的森林，都会有一种“回归自然”的感觉。自然景观给人带来的震撼自古有之。曹操东临碣石观沧海时，就写下了“日月之行，若出其中。星汉灿烂，若出其里”去抒发自己对星辰大海的赞叹。人类对于永恒的盼望也是深深写入灵魂的。时代在变迁，社会的秩序与规则在变迁，唯有自然界的规律，是从亘古到永远，永不改变，也没有人能够脱离自然规律的约束。人类执着于对自然规律的探索，可能也来源于对永恒的追求。长久以来，我一直好奇各种机器是怎么运作的。小时候听了瓦特的故事后，问了爷爷好几次蒸汽机是怎么运转的。天天坐公交车久了，我就问爸爸汽车的发动机是啥，然后听爸爸讲内燃机是怎么工作的。在深入研究核物理和粒子物理多年后，当我再去欣赏名山大川时，也会静静的想想地壳运动，想想水分子之间的氢键，以及光照入水里发生的布里渊散射，甚至几十亿年前合成这些氧原子核的恒星。当我把眼前的美景和其背后的规律联系在一起时，便更能体会自然的精妙与震撼。爱因斯坦曾经说过：“宇宙最不可思议的事，就是这宇宙竟然如此可思可议”。进一步想下去，在宇宙的自然规律下居然诞生了能够去理解这种规律的智慧生命。而且这种生命的存在，更是建立在各种精密调节的基本常数上的。这岂不是更加不可思议？
美国华盛顿州Gold Creek Pond
古时候历朝历代的哲学家思想家都对物质的组成有着极大的兴趣。华夏文明有金木水火土五行说，希腊文明有水火土气四元素说。虽然今天看来它们是非常天真的猜想，但考虑到时代的局限性，能够有这种“万物都是由一些基本的组分构成”的思想，已经是相当先进，而且这句话即使放到今天也没有错。
五行相生相克图
原子结构
我在儿时看妈妈切菜，也好奇，如果一直切下去能切多小。我似乎记得爸爸说有一种说法是物质无限可分，然后跟妈妈继续聊了些分子，原子，质子，中子，还有什么量子。于是我就记下了，物质可能可以无限分下去，目前人类只把物质分到了质子中子这么小的球。量子嘛，很深奥，以后懂了会很厉害。后来看了一些科普书，我又知道了还有电子，有夸克，有中微子，光居然也是一种“子”。继续问父母这些问题，我通常都会得到一种答案：“长大学物理就懂了”。于是乎，我暗暗决定，就算物理这个坑再深，也要跳！
02
“妙子”与我
这里大概要省略描述我从第一次翻开初中物理教材到博士毕业这个漫长旅途的几万字。2016年，把博士毕业论文提交后的第二天，我就启程去Argonne国家实验室，开始人生的下一站，正式加入Muon g-2这个中文名曰“μ子的反常磁矩的精密测量”的实验，继续实现儿时探索微观粒子世界的梦想。μ子这个粒子，一般中文也是直接用它的希腊字母代号，读为“缪（miù）子”。不过这个中文名字面上的意思就是“错子”，太阴暗了，文艺青年们也称其为“渺子”。因为我们这个奇妙的实验，我觉得称之为“妙子”也是很合适的，毕竟官方翻译“缪”也是个多音字，读成miào也是可以的。不管怎么称呼它，μ子（下文皆这么称呼）是基本粒子大家庭中的一员。另外，即使你不知道μ子，在你读这句话的时候就有几十个宇宙射线里的μ子穿过你的身体了。
宇宙射线中的μ子
标准模型粒子表
组成宇宙万物的基本粒子，17个格就能写下，比元素周期表简单多了。有时我会开玩笑说，这就是我学物理不学化学的原因。电子是大家再熟悉不过的粒子了，随便找一件东西摸一下，其实就手上的电子云和摸的物体的电子云之间的碰撞。而μ子好像是胖了几圈的电子一样，除了质量是电子的200多倍，其他性质都非常类似。正是因为它这么重，它可以通过弱相互作用衰变成电子和两个近乎无质量的中微子。弱相互作用是宇宙四大基本相互作用：强、电磁、弱、引力相互作用之一。粒子物理学标准模型，当今物理学描述微观粒子世界的最精确理论，把这些基本粒子强、电磁、弱相互作用都包含在它的理论框架内。它预言的各种粒子性质和粒子间的反应，也都一一被实验验证。目前标准模型最精确地预言，就是电子的反常磁矩。大家都知道，电子是带电的。在20世纪初，科学家还发现电子是有自旋的。人们可以把它想象成一个旋转的陀螺，带有角动量，但是电子的自旋角动量大小是固定的。旋转的带电粒子就会产生一个磁矩。整个电子就像一个旋转的带电的小磁铁，而它磁矩的大小是可以通过量子电动力学精确计算出来。所谓的g因子，就是电子磁矩的一个量度。根据Dirac最开始的量子力学模型，电子的g因子是2。后来Schwinger把更多的量子力学效应考虑进来，发现g因子是稍微偏离2的，物理学界把这个偏移量称为g-2。目前电子的g-2最精确测量值是0.002 319 304 362 56 (35)，符合标准模型的计算结果。μ子的g-2就是我们这个实验要测量的。它的故事开始的时候和电子的g-2是一样的，理论预言与实验测量相互符合。直到2006年，Brookhaven国家实验室公布了最新的μ子的g-2实验结果，与标准模型的计算值有明显偏差。在接下来的研究中，理论计算精度得到进一步提高，两者的差别达到3.5个标准差之多。也就是说，我们有99.98%的把握，粒子物理标准模型是不能描述μ子的反常磁矩的。这就像给新的物理模型打开一扇窗户。现有的物理模型必须引入新的粒子，新的相互作用，才能精确描述μ子与磁场的相互作用。那么“新的物理”会是什么呢？其实g因子偏离2，就是因为μ子除了直接与磁场相互作用，还可能在这个过程中“偷偷”和真空中的“虚粒子泡泡”发生相互作用。在量子场论的模型里，真空并不是一无所有，而是一直不断产生、湮灭正反粒子对。这些正反粒子“泡泡”虽然对时间做平均后依然是一无所有，但是它们会对实粒子之间的相互作用产生影响。
量子色动力学的真空涨落
这些虚粒子对μ子与磁场的相互作用的影响是可以用标准模型计算的。但是，这种计算只包含了标准模型内各种粒子产生的“泡泡”。一旦实验上测量的g-2值与理论计算不符合，就意味着这些“泡泡”里有我们还没有发现的粒子。其实很多物理学家早就看标准模型不爽。一个重要原因就是它并没有给暗物质留任何位置。虽然暗物质人们只是通过观察星系的运动才相信它的存在，但是人们总是想把它们也放在量子场论的框架下。
一个星系穿过另一个星系后X射线图像，暗物质存在的强有力证据
很多理论物理学家已经写了很多新的理论，预言了新的粒子，但是想直接用对撞机产生这些粒子，恐怕以人类的技术近期内无法实现。但如果这些粒子真的存在的话，影响μ子g-2的“泡泡”里可能就有这些粒子。所以，到底μ子g-2实验测量值与标准模型的偏差是实验误差还是真实存在，对理论物理界事关重大，99.98%的把握是不够的。两者的偏差必须达到5个标准差才能让人信服。想达到这个目标，实验和理论都要有所改进，将误差进一步降低。于是从2009年前后在一批物理大佬的带动下，选址在Fermi国家实验室的新Muon g-2实验轰轰烈烈开始了。
g-2储存环磁场线圈到达Fermi实验室
在实验上测量μ子的反常磁矩，科学家们会把用加速器产生的μ子储存在磁场里，然后测量它自旋方向绕着磁场方向进动的频率。这个进动频率除以磁感应强度再乘以一些常数（普朗克常数，光速之类）得到的就是(g-2)/2的值。测量μ子的自旋进动并非易事，不像教科书上画的图，真实世界里的μ子是不会自带箭头指向其自旋方向的。科学家们必须想办法把μ子的自旋方向转化为实验上可观测的量。这里弱相互作用的性质帮了大忙。还记得杨振宁和李政道提出的弱相互作用宇称不守恒吗？弱相互作用的这个性质决定了μ子衰变后释放的电子方向是与μ子的自旋方向关联的。在一番涉及相对论的计算后，人们发现μ子的自旋进动频率是与探测到的电子能量随时间的振动频率是一样的。所以，只要我们记录了μ子衰变出的电子的能量和衰变发生的时间，就能分析出它的自旋进动频率。μ子衰变出的电子因为动量已经不是原来μ子的动量，会脱离储存环的磁场，打在氟化铅探测器上。这些电子都是以近光速进入氟化铅探测器，产生Cerenkov辐射，发出微弱的光。在氟化铅探测器后装有SiPM（硅光电倍增器），把这些微弱的光信号放大成电脉冲。这些探测到的电脉冲会被数模转换器记录为数字信号，存储在实验室的硬盘和磁带上。其实探测基本粒子并不复杂，关键是要把它们留下的痕迹转换成光、电这些人们100年前就研究很清楚的东西。不过这100年来人类在工程上的进步，已经让我们可以把这么微弱的信号放大到可以探测的强度，并且能在纳秒的时间尺度去记录这发生的一切。有了这些仪器，我们才有可能去精密的研究基本粒子的各种性质。除了μ子的自旋进动频率，储存μ子的磁场也需要被测量。我所在的Argonne国家实验室研究组就是主要负责用核磁共振探头测量磁场。核磁共振可能大家都在医疗成像领域听说过，其实核磁共振的原理就是让一个射频信号的频率与原子核在磁场里的进动频率相同，然后用这个射频信号去操纵原子核，再探测之后原子核发出的信号。说穿了，我们就是用质子在磁场中的进动频率来度量磁场。
核磁共振示意图
实验的原理说起来固然简单，但是真正把每一步做好，可以用“势比登天”来形容。这里可能又要省略描述2016-2021这几年艰辛历程的几万字，只记录几个难忘的瞬间和刻骨铭心的回忆。2013年，原来在Brookhaven实验室的μ子储存环磁铁沿美国东海岸和密西西比河运到Fermi实验室。经过拆解，长途跋涉，重新组装，谁也不能保证它还能正常运行。当大家看到这个超导磁铁被冷却到液氦温度，并把电流加到5000A时，才松了口气。之后又是好多年的磁场微调，探测器安装，加速器升级，直到2017年夏天，这个实验才正式开机。2017年7月，在一个炎热的夏日，第一束混着很多质子μ子注入g-2实验的储存环，我们也第一次看到了μ子自旋进动的信号。我们十几个有幸能目睹这一刻的人当晚就在Fermi村里的酒馆庆祝了一下。但在开机调试不久后，我们又发现很多仪器并不是像设计的那样完美，很多新问题需要解决。有一次为了解决一个紧急问题，我和几位同事在中国新年除夕之夜忙到半夜2点。离开实验楼前我回头看了一下整套仪器，感叹让这么多部件同时不出问题真是不容易。
g-2实验装置鸟瞰图
又经过了半年的调试与修理，实验终于在2018年4月初稳定运行，连续采集了2个多月的数据。即使是在稳定采数据的阶段，依然会有各种紧急情况需要科研人员半夜爬起来去解决。就拿我负责的磁场扫描装置来说，很多扫描要在夜间进行。扫描仪有时候也会因为各种原因被卡住，操作员这时候就要打电话找我去解决问题。我们终于有了第一批数据，接下来又是漫长的数据分析过程。每一种系统误差都有人负责研究怎么修正，怎么确定最后的误差值。在数据分析的过程中，也总是会发现一些之前没有考虑到的误差来源，这时候可能还需要在后续实验中进行有针对性的测量来确定第一批数据的系统误差。
03
海内存知己
当然，这四年多的生活也不是光围着这个磁铁转，跟着μ子绕圈跑。Fermilab是个相当国际化的地方，g-2合作组也是相当国际化的合作组。这几年一起共事的有来自世界多个国家的科研人员，听着不同人操着不同口音讨论物理问题也是很有趣的事情。有一次我做梦梦见开组会，居然所有同事都是用他们自己的口音讲话。我醒来时很惊讶，我根本学不出那些口音，那么这些对话是怎么在我大脑里合成的呢？我们的交流也不仅是在办公室和实验室里。每个周五，我们都会有一波人去费米实验室的酒馆闲聊。
Fermi村
天气好的时候，我们还一起绕着Tevatron的2π公里的环形公路跑圈。还有2017年的实验室开放日，我们为了这次科普活动也是准备了1个多月，然后花一整天给公众讲解我们的实验。我们实验组也不乏各种艺术家，他们画的画都能卖到几百美元一幅。在被我们实验中的一个叫Kicker的器件搞得接近崩溃的时候，一个博后同事直接作了一首歌：“Kicker，你让我失去了所有对你的爱”。我也突发奇想，把测出来的磁场分布图找了个本地的艺术家创作了一幅染色玻璃画。
g-2磁场分布染色玻璃画
在每年的合作组会议“物理周”，我们也会选择一个城市讨论实验的进展。记得2015年的物理周正好是在我的母校西雅图的华盛顿大学开，我趁这个机会套磁了我的博后老板Peter Winter。2018年的物理周我们跑到了Denver，在合作者Frederick Gray的安排下去了Rocky Mountain散心。只可惜因为签证的原因，2019年没能跟大家去意大利的Elba岛。可以说，能在这四年里认识这么多能在一起愉快合作的同行，也是一笔财富。
Argonne团队组装磁场扫描装置
04
他乡遇故知
更加让我觉得亲切的是，在没有提前约的情况下，在g-2合作组居然碰到这么多的上海交通大学校友。2015年在西雅图物理周上我就碰到了李亮老师。在2017年，在Fermi实验室酒馆偶遇韩放，聊了几句才知道我们都是交大本科校友。我们三人分别负责实验的不同部分，业余时间经常交流自己负责那一部分的工作进展。后来李亮老师又派来了博后李迪开。之后我和李亮老师又把他的学生李炳志忽悠到Argonne实验室交流了两年，让交大负责的实验部分也延伸到我一直负责的磁场分析这一部分。我们“交大帮”可能占了我们合作组所有华人的一半以上。在所有华人合作者中，我最最佩服的还是会五门外语，在合作组身居要位，掌握大量核心技能，直接听命于合作组大老板的马来西亚华人许金祥。后来他也加入了交大的团队。某次合作组会议，在他的安排下整个我们的合作组聚餐去了一家中餐馆，也让我们有机会给世界友人们介绍一下中国饮食。我后来也请了我在Argonne的老板和几位同事去吃了东北菜。我那个同事好几个月后还跟我说熏肉大饼真好吃。有时候身居国外才能深刻感觉到，自己就是自己的国家，自己的语言，自己的文化的大使。每时每刻，自己都是在不同文化交流的最前沿。其他文化的人，正是通过我们来了解我们所代表的文化。说的夸张一点，我们不仅仅是在为科学做贡献，也是在为世界和平做贡献。当下需要的，不是关起门来相互竞争，而是让更多人能有更多机会去交流。这是我们海外华人，尤其是交大人的使命。
2017年g-2合作组聚餐华人合影
05
十年磨一剑
我的思绪又回到g-2的第一批数据结果发布会上。Aida El-Khadra教授和我们的合作组发言人Chris Polly分别讲了这个实验的理论背景和实验方法。最后Polly把我们在2月份内部实验结果确认会的录像向所有人公布。为了防止我们在数据分析时受到人的主观判断影响，实验仪器的一些参数是保密的。其实没有人能够完全做到中立。如果一个人想用这个实验去证明标准模型是对的，那么极有可能这个人在误差分析没有做完全，但是结果符合标准模型预言的时候，就停止分析，发表结果。所以，我们把实验中用来测量μ子自旋进动频率的时钟稍微调偏一点，偏离值由合作组之外的人严格保管。等我们对自己的分析方法胸有成竹时，保密人再告诉我们这个偏离值，我们用它来计算最终的分析结果。这个过程很多人戏称“打开盒子”。整个第一批数据的分析整整经历了两年半的时间。终于，合作组的所有人都同意最后的数据分析方案，可以打开盒子看最终的结果了实验结果和Brookhaven的实验结果高度一致，两者合在一起后与标准模型的偏差达到4.2个标准差！这几个月刻意压抑的喜悦终于可以见天日了。这个结果也会让做理论的同事们兴奋一阵子，毕竟从今以后我们更加确信标准模型以外的粒子确实在影响着已知粒子的行为。
aμ=0.00116592061(41)
这一行字出现在屏幕上的时候，隔着屏幕我都能感受到大家的喜悦。在这四年多的历程里，我很荣幸能和这么多世界顶尖科学家一起为这个目标奋斗，看着我们的实验项目成长。在这个过程中，有奋战多年的博士生毕业了，有年轻的博士生加入了，有的博士后终于在科研行业内找到了职位，有的博士后最终还是选择去了工业界，有几位老一辈的科学家，最终还是没有等到第一批数据结果出来的那一天。在我们公布结果的报告中，或许很多人只看到了那一串数字。但是为了得到这个数，几百位科学家工程师付出的心血与汗水，是无价的。对于从这个实验的最初策划时就在这个团队的人来说，这真的是十年磨一剑。不少人曾经问过我，为了这个结果付出这么多值不值？我的答案是：“没有值不值得的问题，只有愿意不愿意的问题。”真正做科学的人，能做下去只需一个动力，就是从孩童时期就没有变过的对自然的好奇心。如果还需要一个，那就是要把千百年来人类积累的对自然界的认识传承下去。另外，有了20年的科学知识积累，你再听科学报告将不再像听天书一样，诺奖级别的科研成果，你也不会觉得无法理解。有了知识，才能从一个新的高度去体会万事万物的美。就像徐一鸿在《可畏的对称》里写道：“让我们先重视'美’吧，'真’的问题会自然解决的”。我转述一下：“科学在于求真，更在于求美”。
Muon g-2实验依然在运行，2019年后的数据分析也刚刚起步。目前公布的结果，也只是整个实验计划的冰山一角。我虽然已经离开这个合作组开始了新的征程，但我相信我过去的战友们会把这个项目进行到最后，给出一个可以为整个人类文明负责的结果。我也希望美丽的Fermi实验室，能继续生产更多的美丽的科研成果。
Fermi实验室一角
背景简介：本文作者 洪然，华盛顿大学物理博士，上海交通大学物理学士。洪博士在2016-2020年间就职于Argonne国家实验室和肯塔基大学，参与Muon g-2实验合作组，负责磁场精密测量系统搭建、磁场测量数据分析以及数据采集系统维护与升级等核心任务。洪博士曾参与多个基本物理参数精密测量实验，也从事过多年高精度电离辐射探测器和核磁共振相关的研究。目前，洪博士就职于Argonne国家实验室同步辐射光源束流控制组。文章于2021年4月10日发表于公众号 上海交通大学物理与天文学院 （【校友故事】洪然：妙子漫谈），风云之声获授权转载。