粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型錯了？電子“表哥”磁性超出理論預(yù)計，物理學(xué)家找到未知粒子存在證據(jù)
可能顛覆50年的標(biāo)準(zhǔn)模型
曉查 發(fā)自 凹非寺? 量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
今天發(fā)生了一件轟動物理學(xué)界的大事件。
美國費米實驗室最新的實驗結(jié)果，可能顛覆我們50年來都奉為圭臬的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。
△Meon g-2實驗裝置（圖片來自費米實驗室）
標(biāo)準(zhǔn)模型是解釋夸克、電子等微觀粒子的物理模型，在微觀領(lǐng)域取得了巨大的成功。10年前人們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，至此標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的所有粒子都被發(fā)現(xiàn)。
但費米實驗室的實驗結(jié)果指出，世界上可能還有標(biāo)準(zhǔn)模型未能預(yù)言的粒子。這篇研究論文今天發(fā)表在頂級期刊《物理評論快報》上。
實驗發(fā)現(xiàn)，μ子的磁性超出了理論預(yù)測，雖然只相差0.1%，但卻難以用標(biāo)準(zhǔn)模型解釋。
μ子可以說是電子的“表哥”，它和電子的帶電量一致，卻比電子重207倍。通過測量表示μ子磁性的g因子，物理學(xué)家可能發(fā)現(xiàn)了背后隱藏的未知粒子。
什么是g因子
像電子和μ子這樣的粒子不僅帶電，還具有磁場，就像一個“小磁針”。
要解釋這種現(xiàn)象，我們可以把它們看成是高速旋轉(zhuǎn)的小球，電荷轉(zhuǎn)動就會產(chǎn)生磁場。
我們還可以根據(jù)這種模型，用經(jīng)典電磁理論算出電子或者μ子的磁矩。
不過，微觀粒子的“自旋”（spin）并不能簡單地看成是自轉(zhuǎn)，粒子的真實磁矩，和經(jīng)典物理方法算出的磁矩會相差一個倍數(shù)，這就是g因子。
如何微觀粒子符合經(jīng)典模型，那么g因子就等于1，然而實際上g因子一般都不等于1，因為自旋是一種量子力學(xué)才能描述的行為。
對于電子和μ子來說，g因子約等于2。因為它倆的自旋都是1/2，相當(dāng)于一個物體旋轉(zhuǎn)2圈才能和自己重合。
但是它們的g因子又不完全等于2，至于為什么，我們接下來再說。
g因子為何不等于2
1947年，實驗發(fā)現(xiàn)電子的g因子約為2.00232。
要解釋這一結(jié)果，必須要使用量子電動力學(xué)（QED）。和過去的量子力學(xué)不同，QED并不認(rèn)為真空空無一物，會無時無刻產(chǎn)生和消失虛粒子，產(chǎn)生量子波動。
物理學(xué)家施溫格隨后在論文中這樣解釋g因子不等于2的原因：因為電子在真空中會發(fā)射出光子，隨后又吸收，從而改變了電子的磁場。
μ子亦是如此。
△ μ子產(chǎn)生虛光子改變了磁矩（圖片來自Quanta Magazine）
量子波動越少，對電子或μ子的g因子的影像就越小。
產(chǎn)生虛光子只是一種改變磁矩的方式，電子或μ子也可能產(chǎn)生其他的重粒子，只不過概率要小得多。
而μ子的比電子重207倍，產(chǎn)生重粒子的概率更大，量子波動更大，對g因子的影響也更大。
電子的g因子大約是2.002319，μ子大約是2.002332。當(dāng)然，這些測量值在實驗誤差范圍內(nèi)都符合QED的預(yù)測。
數(shù)十年來，理論物理學(xué)家一直在努力精確計算g因子，另一方面實驗物理學(xué)家也在不斷提高精度測量g因子。
一旦二者出現(xiàn)了超出預(yù)期而有無法解釋的偏差，那么可能意味著，與μ子相互作用的粒子中有我們所未知的。它可能是暗物質(zhì)粒子，也可能是超對稱理論預(yù)言的粒子。
μ子的g因子與2的差值是其中的關(guān)鍵，因此這類實驗被叫做Muon g-2。
測量g因子
第一個Muon g-2實驗是歐洲核子研究中心在1959年做的，結(jié)果符合量子電動力學(xué)。
美國布魯克海文實驗室之后進(jìn)行了多次測量。
2006年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)μ子磁矩的測量值和理論值差距達(dá)到了3.7σ，但仍然很難否認(rèn)是實驗誤差導(dǎo)致的結(jié)果。
此后，費米實驗室接過了Muon g-2實驗，由于經(jīng)費限制，他們不得不使用布魯克海文實驗室的磁鐵，這是一個直徑15米的超導(dǎo)磁環(huán)。
由于體積巨大， 這顆核心實驗裝置先被裝船經(jīng)過海運(yùn)、河運(yùn)，最后轉(zhuǎn)移到專門設(shè)計的卡車上，才運(yùn)達(dá)目的地。
△ 實驗用到的巨大超導(dǎo)磁環(huán)（圖片來自美國費米實驗室）
物理學(xué)家先撞擊質(zhì)子來制造大量的μ子，然后將μ子注入到磁環(huán)中。
雖然μ子的壽命極短，只有幾微秒，但是它的速度非常接近光速，可以在磁環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)上百圈，已經(jīng)足夠完成測量。
磁場中的μ子就像在地面上轉(zhuǎn)軸傾斜的陀螺，自轉(zhuǎn)軸高速地改變著方向（物理學(xué)中稱之為“進(jìn)動”）。
μ子每在磁環(huán)中旋轉(zhuǎn)一圈，其自轉(zhuǎn)軸就偏轉(zhuǎn)大約12度。
△ 實驗裝置原理（圖片來自Quanta Magazine）
物理學(xué)家要做的就是精確測量磁環(huán)內(nèi)的磁場強(qiáng)度，以及μ子自轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)速度。通過這兩個數(shù)值就能計算出μ子的磁矩，從而得到g因子。
實驗結(jié)果的計算量非常之大，需要歐洲多個超級計算機(jī)中心花費數(shù)億個CPU小時，才能完成數(shù)據(jù)處理。
△用于計算μ子磁矩的7臺超算之一（圖片來自德國尤利希研究中心）
最終，物理學(xué)家得到μ子的g因子為2.00233183908，與量子電動力學(xué)理論值的偏差為4.2σ。
這意味著，由統(tǒng)計偏差導(dǎo)致結(jié)果異常的概率不超過0.0013％。
意義
現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)僅僅是初步結(jié)果，物理學(xué)家只分析了其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)，他們還需要一兩年才能完成對所有數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。
如果實驗結(jié)果確實成立，那么將顛覆粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，我們必須改寫標(biāo)準(zhǔn)模型，引入新的粒子。
也有物理學(xué)家對此持懷疑態(tài)度。還記得2011年那一個超光速的實驗發(fā)現(xiàn)嗎，當(dāng)科學(xué)家以為顛覆了相對論，結(jié)果卻是實驗電纜沒有插牢。
來自CERN的科學(xué)家Andreas Crivellin表示：“數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的解釋方式可能會誤導(dǎo)人。”他正在與另一位學(xué)者合寫一篇論文來解釋該結(jié)果。
“就算最終結(jié)果沒有改變什么，那么看到理論和實驗保持一致也令人興奮?！辟e州州立大學(xué)物理學(xué)教授Zoltan Fodor如是說。
參考鏈接： [1] https://www.quantamagazine.org/muon-g-2-experiment-at-fermilab-finds-hint-of-new-particles-20210407/ [2]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00898-z [3]https://phys.org/news/2021-04-strength-muon-magnetic-field-aligns.html
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