新觀察到的粒子運動或將改變我們們對宇宙的理解

康奈爾大學物理系教授Lawrence Gibbons博士自幼便對科學興趣濃厚。自稱“星際迷航鐵粉”的Gibbons說他從小就醉心物理學，剛進入中學就開始閱讀有關黑洞的書籍。他說：“我當時對物理現象興趣盎然，于是便開始追求探索物理世界?！?/p>

在芝加哥大學就讀本科生時期，Gibbons說他當時深受一位從事粒子物理學研究的教授的影響。他正在探索一種被稱為“電荷宇稱（CP）破壞”的現象的一個方面，屬于一個比較鏡像宇宙（宇稱）和物質與物理宇宙的電荷共軛的研究領域，并力求尋找可以區分其與我們的宇宙的測量方法。

Gibbons解釋說：“幾乎所有的實驗室實驗都會持續產生等量的物質和反物質，因此，宇宙大爆炸產生等量的物質和反物質也是合理的假設。我們雖然生活在受物質主導的宇宙中，可我們到處都沒有觀測到與宇宙大爆炸物質水平相當的反物質?！盙ibbons一直以來的研究重點在于試圖解讀這一現象的成因。

1967年，蘇聯核物理學家安德烈·薩哈羅夫（ Andrei Sakharov ）發表了一篇論文，率先提出宇宙大爆炸時的某些條件，包括一定程度的電荷宇稱（CP）對稱性破壞，這可能導致宇宙略微偏向于物質為主而不是反物質主導的局面。

Gibbons指出：“這個問題令我為之神往，也為我開啟了投身粒子物理學的大門。”

“我的整個學術生涯都試圖對一般性弱相互作用增進了解，以及CP破壞在整個體系中的作用。我們可以通過一個模型仿真實驗室中的現象，但事實證明，我們在實驗室環境下觀測到的破壞程度遠不足以解釋當前物質主導宇宙的形態。”

測量磁矩

為實現一系列長期實驗規劃，Gibbons和他在康奈爾大學的研究團隊當前正開展的項目著手逐步研究，這些實驗能夠計算電子或“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介子帶電并具有內部自旋的動量，它們的行為就類似微小的條形磁鐵。我們的目標是確定這些小條形磁鐵的磁力強度?！?/p>

Gibbons指出，隨著雷達技術的誕生，一整類精密實驗的實行在技術層面上成為了可能。有研究人員進行了測量電子磁矩的實驗。

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

Gibbons說：“現在我們發現這純粹是一種量子力學效應，μ介子可以在短時間內發射和重新吸收像光子一樣的粒子，μ介子也有帶電粒子環，它們閃爍時隱時現。這一過程對磁場帶來了輕微的變化，學術界已經進行了多項實驗來測量這些變化的規模。”

Gibbons 提到，大約在2000年左右，布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Lab）測量了μ介子磁矩的偏差，涵蓋從2到大約500 ppb的范圍。該實驗的結果與理論預測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，不難想象它們確實會朝著我們觀測的方向移動。我們非常希望確認布魯克海文實驗室的結果是否正確。此外，我們也希望能顯著提高試驗精度，以便我們可以與理論值進行更精細的比照。為此我們啟動了當前的研究項目。目前我們力爭實現超越布魯克海文實驗室結果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力。”

- Gibbons

Gibbons指出，目前有超過150名研究人員和100名理論科學家參與了該項目。

康奈爾大學在費米實驗室合作開展Muon g-2實驗，團隊使用AMD的FPGA推動該研究領域最新成果，目的在于測量μ介子“磁矩”，該項研究或將改變我們對宇宙的理解。（圖片來源：Reidar Hahn，費米實驗室）

頓悟時刻

康奈爾大學的粒子研究在費米實驗室進行，費米實驗室又稱美國能源部費米國家加速器實驗室，該研究主要將測量μ介子的磁場強度。來自七個國家35個機構的191名研究人員合作參與了該項目。

去年春天，該團隊的研究結果證實了早期布魯克海文實驗室研究的結果，并且與之前觀察到的精度水平相同，這一發現在科學界激起了軒然大波。Gibbons說：“這一發現很重要，因為這樣我們就能知道，基于我們對已知粒子范疇的理解，實測磁場比理論水平要高一些。但該發現是否在統計意義上具有顯著性尚無定論。”

Gibbons表示，今年晚些時候，該團隊將得出下一階段結果，該結果將帶來超越之前發現4倍的數據和更高的精確度。最終結果將在幾年后公布。

“如果我們能夠達到最終的精度，并且能夠通過實驗結果證明理論預測值不成立，這意味著我們有了明確的證據表明肯定存在一種新的基礎力（超越已知的力量，如引力或電磁力），我們以前對此一無所知，還將存在與之相關的粒子，即暗物質，而我們對其特性毫無了解?！?/p>

這或許會從根本上改變我們對宇宙和物理定律的理解。

吉本斯表示，測試結果公布前那一刻整個團隊都很緊張。

Gibbons說：“為了避免自己產生偏見，我們讓沒有參與實驗的人稍微改變時鐘頻率并將其封存在信封中。我們使用數字轉換器進行了所有計算和分析，應用了我們運行實驗的占位符頻率。直到每個人都認為計算100%可信，我們可以據此發布研究成果，我們才要掌握真實頻率值的人告訴我們正確的數值。這樣我們才可以看到自己的研究結果如何。我們不知道結果是否會在此前的觀測或理論預測的范圍內，也可能根本不在預期的范圍內。我們相信自己得出了可靠的結果，但它處于哪個區間對我們是未知的。等待他們輸入真實頻率值的那幾秒鐘真是驚心動魄。當大家看到結果時，每個人都歡呼了起來。那是一段令人既振奮又如坐針氈的體驗?！?/p>

AMD在項目中的作用

Gibbons指出：“多年來，AMD技術在我們的研究中一直發揮著核心作用，我們設計的是具有大量ADC（模數轉換器）的數字轉換器，并且需要像交警一樣的流量監督機制來管理數據流。我們需要能夠以每秒800兆樣本的速度傳輸大量數據，并且有我們同時需要檢測約1,300個通道。我們需要FPGA能將數據從ADC傳輸至數據緩存中，以便我們異步讀取數據。我們還需要每塊板上都有一個主FPGA，它可以控制數據流并處理觸發和監控我們傳入和傳出數字轉換器的信息。AMD硬件以超出預期的表現滿足了我們的需求。”

目前的實驗中使用了近2,000個AMD Kintex 7 FPGA，其中大部分用于控制數據采集，其它則管理數據流和系統與外界的通信。Kintex 7器件以經濟高效的形式與輕巧的外形提供了高收發器數量。Gibbons表示，AMD產品的使用壽命和可靠性對他們的研究工作至關重要。

Gibbons說：“AMD的FPGA構成了我們數字轉換器的核心，能夠接納我們所有的研究數據。我們使用中的這批產品已經連續運行超過七年，目前仍在有條不紊地運行。Kintex系列成本友好且功能強大。Vivado工具也出色易用，為學生門甚至是我本人都提供了一個很好的培訓環境。我非常喜歡與AMD合作。我們在各方面都達成了愉悅的合作關系?！?/p>

審核編輯 ：李倩