费米实验室μ子g-2实验刷新μ子电偶极矩直接探测限制

2026年8月12日，μ子g-2合作组宣布，基于美国能源部费米国家加速器实验室μ子g-2实验25%数据完成的新分析，对μ子的电偶极矩给出了迄今最灵敏的直接探测结果。结果显示，若μ子电偶极矩存在，其大小低于该实验当前可探测范围。

费米实验室在不同数据采集周期内测得的μ子电偶极矩与布鲁克海文国家实验室之前的结果进行了比较。费米实验室的综合值与零(未观测到)相符。尽管该实验使用的是正μ子，但通常报告的是负μ子的结果，这会导致测量值的符号反转。图片来源：μ子g-2合作组

μ子g-2实验主要用于测量μ子的磁偶极矩。实验将接近光速运动的μ子反粒子——反μ子或正μ子——注入直径约50英尺的超导磁储存环，粒子在环内循环数百次后衰变。布设在储存环周围的探测器记录衰变产物，从而帮助研究人员确定μ子在磁场中的进动情况。此次电偶极矩分析使用的正是同一批实验数据：磁偶极矩测量关注水平摆动，而电偶极矩信号则对应电场作用下可能出现的垂直摆动分量。

费米实验室μ子g-2实验中的16个径迹探测器模块中的两个。这些探测器由镀铝的聚酯薄膜管组成，能够记录μ子和正电子穿过时产生的撞击，正是借助这些探测器，电偶极矩(EDM)分析才得以实现。图片来源：费米实验室 Ryan Postel

电偶极矩描述系统中正、负电荷分离的程度。粒子物理标准模型预言，μ子等基本粒子的电偶极矩极其微小，远低于现有实验可探测能力。因此，一旦测得非零μ子电偶极矩，将可能指向标准模型之外的新物理，并与电荷宇称破坏等基本对称性问题相关。

此次最新结果为dμ = (-0.35 ± 0.39) × 10^-19 e·cm，与零电偶极矩相符。合作组据此在95%置信水平下给出限制：|dμ| < 1.1 × 10^-19 e·cm。该上限比布鲁克海文国家实验室此前μ子g-2实验给出的限制严格约1.5倍。

分析能够完成，关键依赖储存环内的径迹探测器。这些探测器由32层镀铝聚酯薄膜管组成，可记录带电粒子的运动轨迹。研究人员借助这些数据比较向上和向下运动的正电子数量差异，从而寻找μ子电偶极矩可能留下的信号。

过去近50年间，全球仅有两次μ子电偶极矩直接测量，分别由欧洲核子研究中心和布鲁克海文国家实验室完成。费米实验室此次结果虽然只使用了全部实验数据的四分之一，但数据规模已超过布鲁克海文实验收集的数据量。合作组表示，这一初步结果也将为日本和瑞士正在建设的下一代高精度实验提供重要参考。