新觀察到的粒子運(yùn)動(dòng)或?qū)⒏淖兾覀儌儗?duì)宇宙的理解

康奈爾大學(xué)物理系教授Lawrence Gibbons博士自幼便對(duì)科學(xué)興趣濃厚。自稱(chēng)“星際迷航鐵粉”的Gibbons說(shuō)他從小就醉心物理學(xué)，剛進(jìn)入中學(xué)就開(kāi)始閱讀有關(guān)黑洞的書(shū)籍。他說(shuō)：“我當(dāng)時(shí)對(duì)物理現(xiàn)象興趣盎然，于是便開(kāi)始追求探索物理世界?！?/p>

在芝加哥大學(xué)就讀本科生時(shí)期，Gibbons說(shuō)他當(dāng)時(shí)深受一位從事粒子物理學(xué)研究的教授的影響。他正在探索一種被稱(chēng)為“電荷宇稱(chēng)（CP）破壞”的現(xiàn)象的一個(gè)方面，屬于一個(gè)比較鏡像宇宙（宇稱(chēng)）和物質(zhì)與物理宇宙的電荷共軛的研究領(lǐng)域，并力求尋找可以區(qū)分其與我們的宇宙的測(cè)量方法。

Gibbons解釋說(shuō)：“幾乎所有的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)都會(huì)持續(xù)產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，因此，宇宙大爆炸產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)也是合理的假設(shè)。我們雖然生活在受物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中，可我們到處都沒(méi)有觀測(cè)到與宇宙大爆炸物質(zhì)水平相當(dāng)?shù)姆次镔|(zhì)?！盙ibbons一直以來(lái)的研究重點(diǎn)在于試圖解讀這一現(xiàn)象的成因。

1967年，蘇聯(lián)核物理學(xué)家安德烈·薩哈羅夫（ Andrei Sakharov ）發(fā)表了一篇論文，率先提出宇宙大爆炸時(shí)的某些條件，包括一定程度的電荷宇稱(chēng)（CP）對(duì)稱(chēng)性破壞，這可能導(dǎo)致宇宙略微偏向于物質(zhì)為主而不是反物質(zhì)主導(dǎo)的局面。

Gibbons指出：“這個(gè)問(wèn)題令我為之神往，也為我開(kāi)啟了投身粒子物理學(xué)的大門(mén)?！?/p>

“我的整個(gè)學(xué)術(shù)生涯都試圖對(duì)一般性弱相互作用增進(jìn)了解，以及CP破壞在整個(gè)體系中的作用。我們可以通過(guò)一個(gè)模型仿真實(shí)驗(yàn)室中的現(xiàn)象，但事實(shí)證明，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境下觀測(cè)到的破壞程度遠(yuǎn)不足以解釋當(dāng)前物質(zhì)主導(dǎo)宇宙的形態(tài)?！?/p>

測(cè)量磁矩

為實(shí)現(xiàn)一系列長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，Gibbons和他在康奈爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)當(dāng)前正開(kāi)展的項(xiàng)目著手逐步研究，這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴?jì)算電子或“μ介子”（在高層大氣中形成的一種粒子，具有電子特性但比電子重200倍）的“磁矩”。

Gibbons表示：“電子和μ介子帶電并具有內(nèi)部自旋的動(dòng)量，它們的行為就類(lèi)似微小的條形磁鐵。我們的目標(biāo)是確定這些小條形磁鐵的磁力強(qiáng)度?！?/p>

Gibbons指出，隨著雷達(dá)技術(shù)的誕生，一整類(lèi)精密實(shí)驗(yàn)的實(shí)行在技術(shù)層面上成為了可能。有研究人員進(jìn)行了測(cè)量電子磁矩的實(shí)驗(yàn)。

這項(xiàng)工作促成了朱利安·施溫格（ Julian Schwinger ）發(fā)明的量子場(chǎng)論，如今我們依靠這一理論來(lái)描述基本層面的粒子相互作用。

Gibbons說(shuō)：“現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)這純粹是一種量子力學(xué)效應(yīng)，μ介子可以在短時(shí)間內(nèi)發(fā)射和重新吸收像光子一樣的粒子，μ介子也有帶電粒子環(huán)，它們閃爍時(shí)隱時(shí)現(xiàn)。這一過(guò)程對(duì)磁場(chǎng)帶來(lái)了輕微的變化，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量這些變化的規(guī)模?！?/p>

Gibbons 提到，大約在2000年左右，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Lab）測(cè)量了μ介子磁矩的偏差，涵蓋從2到大約500 ppb的范圍。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值之間存在顯著的差異。

“試想如果有新型粒子最終能夠反饋μ介子的電荷，不難想象它們確實(shí)會(huì)朝著我們觀測(cè)的方向移動(dòng)。我們非常希望確認(rèn)布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果是否正確。此外，我們也希望能顯著提高試驗(yàn)精度，以便我們可以與理論值進(jìn)行更精細(xì)的比照。為此我們啟動(dòng)了當(dāng)前的研究項(xiàng)目。目前我們力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)超越布魯克海文實(shí)驗(yàn)室結(jié)果4倍的成果。我們的研究在全球同仁中激起了巨大的的研究動(dòng)力。”

- Gibbons

Gibbons指出，目前有超過(guò)150名研究人員和100名理論科學(xué)家參與了該項(xiàng)目。

康奈爾大學(xué)在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室合作開(kāi)展Muon g-2實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)使用AMD的FPGA推動(dòng)該研究領(lǐng)域最新成果，目的在于測(cè)量μ介子“磁矩”，該項(xiàng)研究或?qū)⒏淖兾覀儗?duì)宇宙的理解。（圖片來(lái)源：Reidar Hahn，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室）

頓悟時(shí)刻

康奈爾大學(xué)的粒子研究在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室又稱(chēng)美國(guó)能源部費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室，該研究主要將測(cè)量μ介子的磁場(chǎng)強(qiáng)度。來(lái)自七個(gè)國(guó)家35個(gè)機(jī)構(gòu)的191名研究人員合作參與了該項(xiàng)目。

去年春天，該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果證實(shí)了早期布魯克海文實(shí)驗(yàn)室研究的結(jié)果，并且與之前觀察到的精度水平相同，這一發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界激起了軒然大波。Gibbons說(shuō)：“這一發(fā)現(xiàn)很重要，因?yàn)檫@樣我們就能知道，基于我們對(duì)已知粒子范疇的理解，實(shí)測(cè)磁場(chǎng)比理論水平要高一些。但該發(fā)現(xiàn)是否在統(tǒng)計(jì)意義上具有顯著性尚無(wú)定論?！?/p>

Gibbons表示，今年晚些時(shí)候，該團(tuán)隊(duì)將得出下一階段結(jié)果，該結(jié)果將帶來(lái)超越之前發(fā)現(xiàn)4倍的數(shù)據(jù)和更高的精確度。最終結(jié)果將在幾年后公布。

“如果我們能夠達(dá)到最終的精度，并且能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明理論預(yù)測(cè)值不成立，這意味著我們有了明確的證據(jù)表明肯定存在一種新的基礎(chǔ)力（超越已知的力量，如引力或電磁力），我們以前對(duì)此一無(wú)所知，還將存在與之相關(guān)的粒子，即暗物質(zhì)，而我們對(duì)其特性毫無(wú)了解?！?/p>

這或許會(huì)從根本上改變我們對(duì)宇宙和物理定律的理解。

吉本斯表示，測(cè)試結(jié)果公布前那一刻整個(gè)團(tuán)隊(duì)都很緊張。

Gibbons說(shuō)：“為了避免自己產(chǎn)生偏見(jiàn)，我們讓沒(méi)有參與實(shí)驗(yàn)的人稍微改變時(shí)鐘頻率并將其封存在信封中。我們使用數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了所有計(jì)算和分析，應(yīng)用了我們運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的占位符頻率。直到每個(gè)人都認(rèn)為計(jì)算100%可信，我們可以據(jù)此發(fā)布研究成果，我們才要掌握真實(shí)頻率值的人告訴我們正確的數(shù)值。這樣我們才可以看到自己的研究結(jié)果如何。我們不知道結(jié)果是否會(huì)在此前的觀測(cè)或理論預(yù)測(cè)的范圍內(nèi)，也可能根本不在預(yù)期的范圍內(nèi)。我們相信自己得出了可靠的結(jié)果，但它處于哪個(gè)區(qū)間對(duì)我們是未知的。等待他們輸入真實(shí)頻率值的那幾秒鐘真是驚心動(dòng)魄。當(dāng)大家看到結(jié)果時(shí)，每個(gè)人都?xì)g呼了起來(lái)。那是一段令人既振奮又如坐針氈的體驗(yàn)?！?/p>

AMD在項(xiàng)目中的作用

Gibbons指出：“多年來(lái)，AMD技術(shù)在我們的研究中一直發(fā)揮著核心作用，我們?cè)O(shè)計(jì)的是具有大量ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并且需要像交警一樣的流量監(jiān)督機(jī)制來(lái)管理數(shù)據(jù)流。我們需要能夠以每秒800兆樣本的速度傳輸大量數(shù)據(jù)，并且有我們同時(shí)需要檢測(cè)約1,300個(gè)通道。我們需要FPGA能將數(shù)據(jù)從ADC傳輸至數(shù)據(jù)緩存中，以便我們異步讀取數(shù)據(jù)。我們還需要每塊板上都有一個(gè)主FPGA，它可以控制數(shù)據(jù)流并處理觸發(fā)和監(jiān)控我們傳入和傳出數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信息。AMD硬件以超出預(yù)期的表現(xiàn)滿(mǎn)足了我們的需求?！?/p>

目前的實(shí)驗(yàn)中使用了近2,000個(gè)AMD Kintex 7 FPGA，其中大部分用于控制數(shù)據(jù)采集，其它則管理數(shù)據(jù)流和系統(tǒng)與外界的通信。Kintex 7器件以經(jīng)濟(jì)高效的形式與輕巧的外形提供了高收發(fā)器數(shù)量。Gibbons表示，AMD產(chǎn)品的使用壽命和可靠性對(duì)他們的研究工作至關(guān)重要。

Gibbons說(shuō)：“AMD的FPGA構(gòu)成了我們數(shù)字轉(zhuǎn)換器的核心，能夠接納我們所有的研究數(shù)據(jù)。我們使用中的這批產(chǎn)品已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行超過(guò)七年，目前仍在有條不紊地運(yùn)行。Kintex系列成本友好且功能強(qiáng)大。Vivado工具也出色易用，為學(xué)生門(mén)甚至是我本人都提供了一個(gè)很好的培訓(xùn)環(huán)境。我非常喜歡與AMD合作。我們?cè)诟鞣矫娑歼_(dá)成了愉悅的合作關(guān)系?！?/p>

審核編輯 ：李倩