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物理界大地震!新实验结果强烈暗示存在超出目前人类理解范围的新发现

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  作者|腾讯科技 乔辉

  当地时间4月7日,美国费米实验室发表了一个非常重要的首批实验结果:他们发现,一种叫缪子(muon)的基本粒子在磁场中表现出来的行为与目前基本粒子标准模型预言的结果有所差别,这一下子戳到了物理学家的兴奋点!

  因为这预示着很可能存在超出标准模型的新物理,该结果发表在了国际著名物理期刊《Physical Review Letters》上。

  

  图注:缪子储存环。图源:费米实验室。

  超出标准模型有什么重要的吗?当然重要!暗物质、暗能量以及如何把万有引力纳入量子力学的框架可能都需要突破标准模型。如果这个发现进一步确认,那么这意味着人类几乎止步不前的基础物理又向前迈进了一大步,也预示着打开了一扇新的窗口,说不定能发现一个全新的物理世界呢。

  值得一提的是,目前这个发现的精度为4.2个标准方差,意味着出错的可能性大约为四万分之一!这还不够,在物理学上,一个斩钉截铁的发现要求精度达到5个标准方差以上。但目前这个阶段性成果已足够令人兴奋了,仿佛是正在经历慢慢长夜的人们看到了黎明前的曙光。

  据悉,费米实验室的第二期和第三期数据正在分析中。与此同时,新实验还在进行第四期的取数,接下来还会有第五期的运行。未来,通过分析全部五期的数据,物理学家们能够得到更加精确的测量结果,从而对新物理的寻找更加充满信心。

  
什么是基本粒子的标准模型?什么是缪子?

  我们大家都熟悉化学元素周期表,周期表包含了迄今组成我们世界的元素种类。从人体到高楼大厦,从高山河流到日月星辰都可分解为已知的元素。

  物理学中的基本粒子标准模型更下探一步,指出不同元素及其同位素只不过是由原子核中质子数和中子数的不同造成的,而中子和质子则由更小的称为“夸克”的基本粒子组成。

  总体来讲,我们日常接触到的物质不外乎由上夸克、下夸克和电子组成。从最基本的层面看,你和美女没有差别,都是由夸克和电子组成的。当然,从宏观层面看,人与人之间当然是不同的,世界上不存在完全相同的两片树叶嘛。

  

  图注:基本粒子标准模型。

  那么,世界上有几种夸克?有几种电子?除了夸克和电子外,还有什么基本粒子呢?物理学家通过分析来自宇宙的高能射线以及在加速器上产生的各种奇奇怪怪的粒子,最终梳理出一个非常整齐的基本粒子标准模型。

  该模型包含了6种夸克:上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克以及底夸克,除了上夸克和下夸克能稳定存在外,其他的夸克产生后很快就衰变掉了,不参与组成我们的世界。

  该模型还包含6种轻子:电子、电子型中微子、缪子、缪子型中微子、陶子和陶子型中微子。

  除此之外,还包含传递电磁相互作用的光子、传递弱相互作用的中间玻色子以及传递强相互作用的胶子。最后还包含2012年才发现的希格斯玻色子,就是媒体上通常称谓的“上帝粒子”。

  因此,缪子是标准模型中的一个粒子,其行为和电子类似,同样带一个单位的电荷和相同的自旋,只是比电子“更胖”,质量是电子的207倍,可以形象地看作“胖电子”。

  数据反常具体表现在哪里?

  由于基本粒子物理离我们生活有点远,其中牵扯到较多的陌生概念,我试着用一种不太严谨的定性语言来描述一下。

  

  用日常生活的语言来讲,基本粒子就像电影《盗梦空间》中的小陀螺一样,永不停歇地旋转。我们拿电子为例,它的自旋会产生一个对应的磁场,磁场有南北极,因此就有一个磁矩。如果用经典物理来计算,磁矩与角动量的比值是一个常数,不妨记作K。但电子是微观粒子,遵循量子力学定律,用量子力学的计算表明,这个常数为2K。也就是说,量子计算和经典计算之间相差一个为2的因子,物理上称为g因子。但用更严格的量子场论计算表明,g因子并不严格等于2,而是2.002319304362,实验测定值为2.002319304361,两者在小数点后11位都相等,精度令人发指。

  对于比电子“胖”的缪子来讲,g因子的理论值与实验值符合得也这么好吗?非也!最近的测量表明:缪子g因子为2.00233184122(82),而理论值为2.00233183620(86)。理论值与实验值在小数点后7位就开始出现差异了。

  理论是同一个理论,为什么用来处理电子能够如此好用,用来处理缪子就相对不太好用了呢?因为缪子更重。

  在量子场论看来,真空并不是真的空无一物,而是充满了不断产生和湮灭的虚粒子,这些虚粒子与电子相互作用,导致了g因子与2的偏离。由于缪子比电子质量更大,它与真空中的虚粒子作用的方式也会不同,容易感受到电子很难感受到的虚粒子种类。

  超出标准模型的新物理会是什么?

  如果最终完全确定了这个实验与理论的偏差,那么我们会发现什么新物理呢?这个问题目前尚无定论,可能是一种新粒子,甚至是一种传递全新相互作用的粒子,那么这种相互作用是完全独立于引力、电磁、强力和弱力这四大相互作用的相互作用,或者说是第五种力。如果最终真的是这样,那么这个结果将是世纪大发现。

  

  图注:人类已知的四种基本相互作用(力),分别为:使苹果下落的万有引力, 让磁铁吸引铁钉的电磁力,约束原子核的强力以及让粒子发生衰变的弱力。

  另外,这个新发现还可以为我们解开暗物质和暗能量的谜团提供新思路。

  因此,缪子g因子的理论值与实验值的偏差打开了人类窥视新物理的窗口,这是几十年来物理学家梦寐以求的事情。让我们期待实验结果精度的进一步提高,来一起见证基础物理的新突破。

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