[科普中國(guó)]-推翻粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型？繆子新實(shí)驗(yàn)可能揭示新物理的存在

上帝要擲新的骰子了嗎？

4月7號(hào)，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室公布了繆子（μ子）反常磁矩的測(cè)量結(jié)果。新的結(jié)果和當(dāng)今物理學(xué)理論的預(yù)言有 顯著差別 ，舊有的標(biāo)準(zhǔn)模型逢上了前所未有的挑戰(zhàn)。新鮮出爐的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)值的偏差，很可能標(biāo)志著新物理學(xué)的存在。

繆子g-2實(shí)驗(yàn)裝置中的磁鐵 | Fermilab, Reidar Hahn

我們知道，物質(zhì)如同俄羅斯套娃一般，可以被抽絲剝繭一層層細(xì)分到更微觀的單元。分子到原子，原子到原子核和核外電子，原子核到質(zhì)子和中子。在目前最高精度的物理學(xué)研究中，質(zhì)子和中子由更小的夸克組成。而對(duì)于原子核外的電子，科學(xué)家們目前還沒能找到比它更小的組成。因此，我們將諸如夸克、電子等粒子稱為“基本粒子”。還有一種沒法繼續(xù)拆分的基本粒子，就是 繆子（μ子） 。

繆子（μ子）和電子很像，都帶一個(gè)電荷。他們共同屬于一個(gè)叫做“輕子”的家族。這個(gè)家族有“三兄弟”，包括電子、繆子、陶子和各自的中微子（中微子是一種不帶電荷也幾乎沒有質(zhì)量的粒子，如同三兄弟的隨身管家）。最輕的電子和電子中微子被稱為第一代。而繆子屬于第二代，他的質(zhì)量是電子的約200倍，是電子的“大哥哥”。

輕子家族 | 原圖：Akimoto, Yuki @ higgstan；漢化：張策

可惜繆子體量雖大，壽數(shù)卻并不長(zhǎng)。他的平均壽命只有 2.2微秒 （1微秒等于百萬(wàn)分之一秒），一旦“出生”，很快就會(huì)衰變成電子，并同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)中微子。

繆子頃刻間“灰飛煙滅” | 原圖：Akimoto, Yuki @ higgstan；漢化：張策

繆子如此轉(zhuǎn)瞬即逝，難以摸清它的蹤跡。也因?yàn)槿绱耍嗟恼嫦嗟却话l(fā)掘。

測(cè)量磁矩：

標(biāo)準(zhǔn)模型的驕傲

物理學(xué)認(rèn)識(shí)任何一種粒子，都需要對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。由于繆子帶電，并且這個(gè)電荷可以看成繞著粒子中心旋轉(zhuǎn)，在電磁學(xué)中，一個(gè)繞轉(zhuǎn)的電荷可以等效地看成是一個(gè)環(huán)繞的電流線圈。這個(gè)電流線圈內(nèi)部會(huì)形成和磁鐵類似的磁力線排列，可以測(cè)得其磁矩?？茖W(xué)家用“自旋”這樣一個(gè)物理量來(lái)描述等效的電荷自轉(zhuǎn)。而磁矩和自旋這兩個(gè)物理量之間的比值系數(shù)，被稱為“ g因子 ”。通過經(jīng)典物理的計(jì)算，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，諸如電子、繆子這樣的粒子的自旋g因子是常數(shù)2。

然而，隨著量子力學(xué)和量子場(chǎng)論的發(fā)展，g因子并不精確為2。對(duì)于電子和繆子這樣來(lái)自輕子家族的粒子，其觀測(cè)值和經(jīng)典結(jié)果有差距，因此科學(xué)家們將異常磁矩定義為 (g-2)/2 。

異常磁矩的測(cè)量貫穿了二十世紀(jì)后半葉量子場(chǎng)論和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展，物理學(xué)家們逐漸將異常磁矩測(cè)量得越來(lái)越精確。電子磁矩在2006年被哈佛的研究團(tuán)隊(duì)重新測(cè)量，和半個(gè)世紀(jì)以來(lái)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言幾乎驚人的一致，小數(shù)點(diǎn)之后的13位的理論預(yù)言都得到了證實(shí)! 這是人類能驗(yàn)證的最精確的自然科學(xué)的預(yù)言。

繆子新數(shù)據(jù)：

是謬誤還是新的贊歌？

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果把繆子放在磁場(chǎng)中，由于繆子磁矩的存在，繆子磁矩的方向會(huì)被磁場(chǎng)改變，如果自旋的方向和磁場(chǎng)的方向不平行，則繆子的磁矩方向會(huì)圍繞著磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

磁場(chǎng)中的繆子 | 作者團(tuán)隊(duì)制作

這和我們?nèi)粘Ｉ钪械耐勇菪D(zhuǎn)十分類似。當(dāng)我們抽打陀螺使其轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，陀螺除了自身的轉(zhuǎn)動(dòng)之外，其中心軸還會(huì)繞著重力的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。只不過，在微觀世界中，重力的方向換成了磁場(chǎng)的方向，而陀螺自身轉(zhuǎn)動(dòng)就對(duì)應(yīng)于繆子的磁矩。

繆子在磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)好比螺旋旋轉(zhuǎn) | Wikimedia Commons, Lucas Vieira / public domain

利用這一特性，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家將繆子放在磁場(chǎng)中，并使繆子繞著一個(gè)環(huán)運(yùn)動(dòng)。這樣一來(lái)，繆子不僅僅自身在轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)還在繞著環(huán)運(yùn)動(dòng)。

他們發(fā)現(xiàn)，如果測(cè)量繆子繞環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率（ωc）和繆子自我旋轉(zhuǎn)的頻率（ωs）的話，通過計(jì)算這兩個(gè)頻率之差就可以得到繆子異常磁矩的信息。兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率之差，和繆子的反常磁矩因子（g-2）可以通過下面的公式十分簡(jiǎn)潔地聯(lián)系起來(lái)：

反常磁矩因子（g-2）計(jì)算公式 | 作者團(tuán)隊(duì)供圖

最終科學(xué)家們測(cè)量得到了最新的異常磁矩g因子。其精度之高，相當(dāng)于重復(fù)40000多次相同的實(shí)驗(yàn)，只有1次結(jié)果有可能是誤差引起的。而這一最新的g因子數(shù)值卻與理論計(jì)算的預(yù)言不符?？茖W(xué)家們推測(cè)，也許繆子的背后，還有一些特殊的粒子尚待發(fā)掘。這些特殊的粒子在繆子運(yùn)動(dòng)的時(shí)候悄悄跟在繆子后面阻礙其運(yùn)動(dòng)，而它們很可能預(yù)示著 新的物理世界 ！

“神秘的粒子”可能是物理新世界 | 原圖：Akimoto, Yuki @ higgstan；漢化：張策

不過，目前費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室公布的異常磁矩測(cè)量結(jié)果只是初步的?，F(xiàn)在的結(jié)果所用的數(shù)據(jù)只占最終他們計(jì)劃取得的數(shù)據(jù)量的 6% ，取數(shù)可能在兩年內(nèi)完成。期間費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室還將持續(xù)更新他們的結(jié)果，最終的目標(biāo)是將現(xiàn)有的精度再提高 4倍左右 ，并且很有可能揭示讓高能物理界公認(rèn)的“發(fā)現(xiàn)”。此外，對(duì)繆子反常磁矩的理論計(jì)算也在多方同步進(jìn)行。日本也提出了全新的繆子反常磁矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并計(jì)劃2025年開始運(yùn)行。更多的答案等待著時(shí)間來(lái)揭曉，也許在不久的將來(lái)，我們新生代的同學(xué)，將會(huì)有更多的物理學(xué)考點(diǎn)，快來(lái)一起圍觀，早些劃好重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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作者：舒菁

編輯：蔡祎

排版：凝音