Hạt muon nặng hơn người em của nó, hạt electron, khoảng 200 lần. Muon có tương đối nhiều trong tự nhiên khi các tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển của Trái đất, nhưng máy gia tốc ở Fermilab có thể tạo ra chúng với số lượng lớn hơn nhiều lần. Tương tự như electron, muon hành xử như có một nam châm nhỏ nội tại. Khi đặt trong một từ trường mạnh, trục của nam châm này sẽ có chuyển động tiến động (tuế sai), tương tự như trục quay của một con quay hay con quay hồi chuyển. Cường độ của nam châm nội tại sẽ quyết định tốc độ tiến động của muon trong từ trường ngoài, và nó được đặc trưng bởi hệ số g như các nhà vật lý thường gọi. Hệ số g này có thể được tính toán với độ chính xác rất cao.
Khi muon chuyển động trong từ trường của nam châm siêu dẫn của thí nghiệm Muon g-2, chúng tương tác với các bọt lượng tử (các hạt cơ bản được sinh ra và tiêu huỷ trong khoảng thời gian rất ngắn). Sự tương tác này ảnh hưởng đến hệ số g, làm cho tốc độ tiến động tăng lên hoặc giảm đi một lượng rất nhỏ. Mô Hình Chuẩn tính toán rất chính xác sự sai lệch này (còn gọi là mômen từ dị thường). Tuy nhiên, nếu như bọt lượng tử chứa các hạt hoặc lực chưa được tính đến trong Mô Hình Chuẩn thì hệ số g có thể sai lệch so với tiên đoán từ mô hình lý thuyết được chấp nhận rộng rãi này.
“Đại lượng chúng tôi đo đạc phản ánh đầy đủ các tương tác của muon với tất cả các hạt khác trong vũ trụ. Nhưng khi các nhà lý thuyết sử dụng tất cả các hạt và lực đã được biết đến trong Mô Hình Chuẩn để tính toán đại lượng này, kết quả thu được lại khác với thực nghiệm,” - Renee Fatemi, nhà vật lý ở Đại học Kentucky và là người phụ trách mô phỏng trong thí nghiệm Muon g-2 cho biết - “Đây là một bằng chứng thuyết phục rằng muon nhạy với hạt hoặc lực không có trong lý thuyết tốt nhất của chúng ta (Mô Hình Chuẩn của Vật lý hạt).”
Một thí nghiệm trước đó ở Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (thuộc Bộ Năng lượng, Mỹ) kết thúc năm 2001, đã chỉ ra những dấu hiệu rằng muon hành xử khác với dự đoán của Mô Hình Chuẩn. Kết quả mới của Thí nghiệm Muon g-2 ở Fermilab, được đo với độ chính xác lớn nhất từ trước tới nay, phù hợp với kết quả trước đó ở Brookhaven, nhưng khác biệt đáng kể so với tính toán lý thuyết.

• Hệ số g theo tính toán lý thuyết

  2.00233183620(86)

  và mômen từ dị thường là

  0.00116591810(43)

• Kết quả từ thực nghiệm được công bố bởi Muon g-2 hôm nay

  2.00233184122(82)

  và mômen từ dị thường là

  0.00116592061(41)

Kết quả kết hợp từ hai thí nghiệm ở Fermilab và Brookhaven cho hệ số g lệch 4.2 lần độ lệch chuẩn thống kê so với giá trị được tính toán lý thuyết, nhỏ hơn một chút so với ngưỡng 5 lần độ lệch chuẩn thống kê cần thiết để công bố đây là khám phá mới, nhưng vẫn là một bằng chứng có sức thuyết phục về Vật lý mới. Xác suất mà kết quả đo này có thể đến từ sự thăng giáng thống kê ngẫu nhiên là 1 trong 40000.

Thí nghiệm ở Fermilab sử dụng lại thiết bị chính trong thí nghiệm ở Brookhaven, nam châm vòng siêu dẫn với đường kính 17 mét. Vào năm 2013, nam châm này được vận chuyển trên quãng đường dài hơn 5000 km từ Long Island (New York) đến ngoại ô Chicago, nơi mà các nhà khoa học có thể tận dụng máy gia tốc của Fermilab để tạo ra chùm tia muon với cường độ mạnh nhất nước Mỹ. Trong vòng 4 năm sau đó, các nhà nghiên cứu đã lắp ráp các phần của thí nghiệm: tinh chỉnh và hiệu chuẩn một từ trường cực kỳ đồng nhất; phát triển các kỹ thuật mới, thiết bị mới và mô phỏng mới; và kiểm tra toàn bộ hệ thống một cách kỹ lưỡng.

Thí nghiệm Muon g-2 bắn một chùm các hạt muon vào trong nam châm vòng, nơi mà chúng sẽ chuyển động tuần hoàn hàng ngàn vòng với vận tốc gần với vận tốc ánh sáng. Các máy đo đặt xung quanh nam châm vòng cho phép các nhà khoa học xác định tốc độ tiến động của các muon. Trong năm hoạt động đầu tiên (2018), thí nghiệm ở Fermilab thu thập nhiều dữ liệu hơn tất cả các thí nghiệm đo hệ số g của muon trước đó cộng lại. Với hơn 200 nhà khoa học từ 35 trường, viện nghiên cứu thuộc 7 quốc gia, thí nghiệm Muon g-2 đã hoàn thành việc phân tích chuyển động của hơn 8 tỷ muon trong khoảng thời gian vận hành đầu tiên.
“20 năm đã qua từ sau khi thí nghiệm ở Brookhaven kết thúc, tôi thấy rất phấn khởi khi cuối cùng bí ẩn này được giải đáp.” - Chris Polly, nhà khoa học ở Fermilab, đồng thời là người đồng phát ngôn của thí nghiệm. Ông từng là sinh viên sau đại học làm việc trong thí nghiệm ở Brookhaven.
Dữ liệu thu thập trong quãng thời gian vận hành thứ hai và thứ ba đang được phân tích. Quãng vận hành thứ tư đang diễn ra, và quãng vận hành thứ năm đã được lên kế hoạch. Tổ hợp kết quả của cả năm quãng sẽ cho kết quả chính xác hơn nữa về chuyển động tiến động của muon, đi đến kết luận với độ tin cậy lớn hơn nữa về việc liệu có Vật lý mới ẩn giấu trong bọt lượng tử. Polly nói - “Chúng tôi mới phân tích xong 6% trên tổng dữ liệu sẽ được thu thập bởi thí nghiệm này. Mặc dù kết quả đầu tiên này cho thấy khác biệt rất đáng chú ý so với Mô Hình Chuẩn, chúng tôi sẽ biết nhiều hơn nữa trong vòng một vài năm tới.”
“Xác định một cách chính xác hành xử của muon là một thành quả xuất sắc, sẽ dẫn đường cho cuộc tìm kiếm Vật lý mới ngoài Mô Hình Chuẩn trong nhiều năm tới,” - Phó giám đốc nghiên cứu của Fermilab Joe Lykken nói - “Đây là một thời kỳ lý thú cho nghiên cứu Vật lý hạt, và Fermilab đang ở tuyến đầu cho những nghiên cứu này.”