一個微小的、搖擺不定的μ介子剛剛把粒子物理震動到了它的核心

這是費米實驗室g-2實驗所用設(shè)備的俯視圖。該實驗使用μ介子束線、電子機架和冷卻到零下450華氏度(零下267攝氏度)的超導(dǎo)磁存儲環(huán)來研究介子的抖動。(圖片來源:Reidar Hahn/費米實驗室)。

其中之一的備受矚目的粒子物理學(xué)實驗結(jié)果出來了，它們可能將會實現(xiàn)每個研究人員心中最狂熱的夢想:因為它們可能將會打破我們印象中的物理學(xué)。

芝加哥附近的費米國家加速器實驗室出示的證據(jù)表明，一種被稱為μ介子的微小亞原子粒子的擺動遠(yuǎn)超過理論預(yù)測。據(jù)物理學(xué)家所說，最好的解釋是μ介子是被物理中完全未知的物質(zhì)和能量所推動。

如果這些結(jié)果是真的，那么這一發(fā)現(xiàn)則代表了粒子物理學(xué)領(lǐng)域五十年內(nèi)從未降臨過的一種突破。五十年前解釋亞原子粒子的主導(dǎo)理論首次被提出——μ介子的微小擺動是由其內(nèi)部磁場或磁矩與外部磁場的相互作用產(chǎn)生。據(jù)此，如今的發(fā)現(xiàn)可能會動搖科學(xué)的基礎(chǔ)。

Muon g-2實驗的聯(lián)合發(fā)言人、意大利國家核物理研究所的物理學(xué)家Graziano Venanzoni在一份聲明中說:“今天是非同尋常的一天，對這一天的到來我們和整個國際物理界都熱切期盼了很久?！?/p>

μ介子有時被稱為“胖電子”。外表上與它們廣為人知的近親相似，但重量卻是它們的兩百倍，且放射性不穩(wěn)定。μ介子僅在百萬分之一秒都不到的時間內(nèi)就會衰變?yōu)殡娮雍臀⑿∪缬撵`般的不帶電粒子，即中微子。μ介子還有一種自旋的特性。當(dāng)它們與電荷結(jié)合時，它們的行為便會如微小的磁鐵。當(dāng)它們落于磁場中時便會像小型陀螺儀一樣擺動。

今天的結(jié)果源自于一個實驗。在此實驗中物理學(xué)家讓μ介子繞超導(dǎo)磁環(huán)旋轉(zhuǎn)，實驗結(jié)果似乎表現(xiàn)出μ介子的擺動遠(yuǎn)超其應(yīng)有的頻率。該研究領(lǐng)域的科學(xué)家表示，此實驗結(jié)果唯一的解釋就是該粒子的存在還不能夠用來解釋所有亞原子的方程組來解釋，這個方程組即所謂的標(biāo)準(zhǔn)模型。這種模型自20世紀(jì)70年代中期以來一直沒有改變。此模型認(rèn)為這些外來的奇異粒子與其帶來的能量將推動和拉扯環(huán)內(nèi)的μ介子。

費米實驗室的研究人員非常確定他們所看到的額外的抖動是一種真實的現(xiàn)象，而不是統(tǒng)計上的偶然現(xiàn)象。因為他們在“4.2西格瑪”的置信度上增加了一個數(shù)值數(shù)值，使其非常接近粒子物理學(xué)家宣布的重大發(fā)現(xiàn)——5西格瑪閾值。(5西格瑪?shù)慕Y(jié)果表明，它發(fā)生的幾率是350萬分之一。)

肯塔基大學(xué)的物理學(xué)家Renee Fatemi和Muon G-2實驗的模擬管理者在一份聲明中說：“我們測量的這個量反映了μ介子與宇宙間其他物質(zhì)的相互作用。但是，當(dāng)理論家使用標(biāo)準(zhǔn)模型中所有已知的力和粒子來計算相同的量時我們得到的答案卻不相同。這有力地證明μ介子對我們標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域里不存在的物質(zhì)是相當(dāng)靈敏的”

然而，一個獨立研究團(tuán)隊發(fā)表于《自然》雜志上的一項競爭性計算可能會剝奪這種粒子抖動的重要性。據(jù)這個團(tuán)隊計算，在預(yù)測μ介子搖擺運動的方程中最不確定項的值更為龐大。實驗結(jié)果與預(yù)測結(jié)果完全一致，這代表粒子追蹤領(lǐng)域長達(dá)二十年的努力可能都是徒勞的。

以上那篇發(fā)表在《自然》雜志的論文其研究團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人-----賓夕法尼亞州立大學(xué)物理學(xué)教授佐爾坦·福多爾(Zoltan Fodor)在一份聲明中說道“如果我們的計算是正確的并且新的測量數(shù)據(jù)沒能改變這個故事的結(jié)局，那證明我們幾乎不需要任何新的物理學(xué)來解釋μ介子是否嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)模型控制的這項磁矩?！?/p>

但Fodor補充說，鑒于他團(tuán)隊的預(yù)測是基于不盡相同的計算和非常不同的假設(shè)，所以他們的結(jié)果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能確定。為此他表示:“我們的發(fā)現(xiàn)意味著之前的理論結(jié)果和我們新結(jié)果之間存有矛盾，但這種矛盾應(yīng)該得到理解。此外新的實驗結(jié)果可能接近舊的結(jié)果，又或者更接近先前的理論計算。這代表著未來還有很長一段令人心悸的歲月等待著我們?nèi)グl(fā)掘?！?/p>

從本質(zhì)上講，物理學(xué)家只有先能確認(rèn)現(xiàn)有的17個標(biāo)準(zhǔn)模型粒子如何與μ子相互作用，才能最終確定全新的粒子是否在拉扯μ子。直到有一種理論能夠被最終確認(rèn)，否則物理學(xué)將無法維持其相對的平衡。

BY: livescience

FY: 孟凡鈺

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