新觀察到的粒子運(yùn)動或?qū)⒏淖兾覀儌儗τ钪娴睦斫?/p>

康奈爾大學(xué)物理系教授Lawrence Gibbons博士自幼便對科學(xué)興趣濃厚。自稱“星際迷航鐵粉”的Gibbons說他從小就醉心物理學(xué)，剛進(jìn)入中學(xué)就開始閱讀有關(guān)黑洞的書籍。他說：“我當(dāng)時對物理現(xiàn)象興趣盎然，于是便開始追求探索物理世界。”

在芝加哥大學(xué)就讀本科生時期，Gibbons說他當(dāng)時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為“電荷宇稱（CP）破壞”的現(xiàn)象的一個方面，屬于一個比較鏡像宇宙（宇稱）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量方法。

Gibbons解釋說：“幾乎所有的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)都會持續(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，可我們到處都沒有觀測到與宇宙大爆炸物質(zhì)水平相當(dāng)?shù)姆次镔|(zhì)。”Gibbons一直以來的研究重點(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(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：“這個問題令我為之神往，也為我開啟了投身粒子物理學(xué)的大門。”

“我的整個學(xué)術(shù)生涯都試圖對一般性弱相互作用增進(jìn)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(shí)驗(yàn)室中的現(xiàn)象，但事實(shí)證明，我們在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下觀測到的破壞程度遠(yuǎn)不足以解釋當(dāng)前物質(zhì)主導(dǎo)宇宙的形態(tài)?！?/p>

測量磁矩

為實(shí)現(xiàn)一系列長期實(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)部自旋的動量，它們的行為就類似微小的條形磁鐵。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(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)，它們閃爍時隱時現(xiàn)。這一過程對磁場帶來了輕微的變化，學(xué)術(shù)界已經(jīng)進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)來測量這些變化的規(guī)模?！?/p>

Gibbons 提到，大約在2000年左右，布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論預(yù)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(shí)會朝著我們觀測的方向移動。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。為此我們啟動了當(dāng)前的研究項(xiàng)目。目前我們力爭實(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力?！?/p>

- Gibbons

Gibbons指出，目前有超過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)室合作開展Muon g-2實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)使用AMD的FPGA推動該研究領(lǐng)域最新成果，目的在于測量μ介子“磁矩”，該項(xiàng)研究或?qū)⒏淖兾覀儗τ钪娴睦斫?。（圖片來源：Reidar Hahn，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室）

頓悟時刻

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)室又稱美國能源部費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室，該研究主要將測量μ介子的磁場強(qiáng)度。來自七個國家35個機(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：“這一發(fā)現(xiàn)很重要，因?yàn)檫@樣我們就能知道，基于我們對已知粒子范疇的理解，實(shí)測磁場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定論?！?/p>

Gibbons表示，今年晚些時候，該團(tuán)隊(duì)將得出下一階段結(jié)果，該結(jié)果將帶來超越之前發(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，并且能夠通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明理論預(yù)測值不成立，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），我們以前對此一無所知，還將存在與之相關(guān)的粒子，即暗物質(zhì)，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(jié)果公布前那一刻整個團(tuán)隊(duì)都很緊張。

Gibbons說：“為了避免自己產(chǎn)生偏見，我們讓沒有參與實(shí)驗(yàn)的人稍微改變時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)果是否會在此前的觀測或理論預(yù)測的范圍內(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，但它處于哪個區(qū)間對我們是未知的。等待他們輸入真實(shí)頻率值的那幾秒鐘真是驚心動魄。當(dāng)大家看到結(jié)果時，每個人都?xì)g呼了起來。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，AMD技術(shù)在我們的研究中一直發(fā)揮著核心作用，我們設(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)，并且有我們同時需要檢測約1,300個通道。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)滿足了我們的需求。”

目前的實(shí)驗(yàn)中使用了近2,000個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他們的研究工作至關(guān)重要。

Gibbons說：“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)生門甚至是我本人都提供了一個很好的培訓(xùn)環(huán)境。我非常喜歡與AMD合作。我們在各方面都達(dá)成了愉悅的合作關(guān)系。”

審核編輯 ：李倩