改变粒子物理学的发现内幕

一种名为μ子的亚原子粒子比应有的更具磁性——这可能意味着什么。
muon ring at fermilab
μ子g-2储存环正从长岛移至芝加哥。布鲁克海文国家实验室

一个国际科学家团队报告说,一个微小的亚原子粒子有些不对劲。如果这一发现属实,它有可能彻底颠覆现代物理学。

问题粒子是一种名为μ子的粒子,它是电子的一种更重、更“阴暗”的表亲。它们寿命仅有百万分之一秒,随后就会衰变分解。虽然μ子稍纵即逝,但物理学家可以通过在欧洲核子研究组织的大型强子对撞机等设施中将其他粒子撞击在一起,产生数百万个μ子。

现在,位于芝加哥郊区费米实验室的粒子物理学家发现了证据,表明μ子的磁性比科学家预测的要强。这看起来可能是一个晦涩的细节,但这意味着μ子正在违反粒子物理学的基本定律,正如所谓的“标准模型”所规定的那样。

在近半个世纪里,“标准模型”一直是粒子物理学的核心。它为科学家提供量子基础,以理解和联系他们认为宇宙中最基本的粒子:μ子、电子、光子以及半传说中的希格斯玻色子,以及其他13种粒子。

“标准模型”在审查下基本站住了脚,但模型也存在一些漏洞,一些几十年来一直在物理学家脑海中萦绕的未解之谜。一些粒子的质量与模型预测的不符。它也没有解释引力是如何运作的,也没有解释暗物质或暗能量,这使得宇宙构成的大部分内容成为一个谜。它也没有解释宇宙为何会存在物质。

这就是为什么一些粒子物理学家现在相信——或者至少希望——这种μ子失配可能成为“标准模型”的第一次致命打击。

“这是μ子对我们最好的理论中不存在的某些事物敏感的有力证据,”肯塔基大学物理学家、研究团队成员Renee Fatemi在一份声明中说道。

这一发现已经预示了一段时间。在20世纪90年代,位于长岛布鲁克海文国家实验室的科学家们开始在一个磁环中加速μ子,以检查它们的磁偶极矩,这是测量粒子固有微小磁场的量度。他们发现,磁偶极矩与“标准模型”的预测不符。

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这是一个诱人的线索,但当实验资金枯竭时,科学家们无法继续进行。他们不得不等到21世纪10年代,磁环被字面意义上向西数百英里移动到费米实验室。在那里,来自世界各地的数百名科学家共同证实了他们在布鲁克海文的同行们的发现:μ子的磁偶极矩与“标准模型”相悖。

现在就推断其意义还为时过早。首先,科学家需要复制结果;费米实验室研究人员发现的结果有大约四万分之一的几率是随机噪声。这肯定非常不可能,但远低于粒子物理学中的标准三百万分之一。可能还会有更多结果:费米实验室研究人员表示,他们只分析了收集到的数据不到百分之六。

并非所有科学家都认为μ子将彻底改变粒子物理学。但许多人,包括一些费米实验室的研究人员,怀疑这种差异是某些未知力与μ子相互作用的结果。如果是这样,那么它就大胆地预示着一些远超“标准模型”的新发现的物理学。

即使“标准模型”不会成为过去,这一μ子发现也可能成为新发现的起点,帮助解答宇宙是如何以及为何以我们所知的方式运作的。

 

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Rahul Rao

特约撰稿人,科学

Rahul Rao 自2021年初以来一直是《科学美国人》的实习生和特约科学作家。他报道物理学、太空、技术以及它们之间的交叉领域以及其他一切。


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