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20年前發(fā)現(xiàn)μ子與理論不一致，對標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)成了潛在的挑戰(zhàn)！

2020-07-28 17:30 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

二十年前，美國能源部(DOE)布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：已建立的粒子物理理論與實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測量之間存在神秘的不匹配，當(dāng)研究人員測量一種名為μ子的亞原子粒子行為時(shí)，

結(jié)果與理論計(jì)算不一致，對標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)成了潛在的挑戰(zhàn)（標(biāo)準(zhǔn)模型是目前對宇宙運(yùn)行方式的理解）。從那時(shí)起，世界各地的科學(xué)家一直在努力驗(yàn)證這種差異，并確定其重要性。

答案可能是堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)模型，該模型定義了所有已知的亞原子粒子以及它們是如何相互作用的，或者引入了一種完全未被發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)可能性。一個多機(jī)構(gòu)的研究小組（包括布魯克海文、哥倫比亞大學(xué)，以及康涅狄格大學(xué)、名古屋大學(xué)和雷根斯堡大學(xué)，RIKEN）使用了阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Mira超級計(jì)算機(jī)來幫助縮小對這種差異的可能解釋，提供了一個新的精確理論計(jì)算，精煉了這個非常復(fù)雜難題的一部分。

這項(xiàng)研究由能源部科學(xué)辦公室通過其高能物理和先進(jìn)科學(xué)計(jì)算研究計(jì)劃辦公室提供部分資金，其研究成果已發(fā)表在《物理評論快報(bào)》期刊上。μ子是電子的較重版本，具有相同的電荷，正在討論的測量是μ子的磁矩，它定義了粒子在與外部磁場相互作用時(shí)如何擺動。早些時(shí)候的布魯克海文實(shí)驗(yàn)，被稱為μg-2，檢查了μ子與直徑50英尺電磁鐵存儲環(huán)相互作用時(shí)的情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測值的偏差非常小，以百萬分之幾計(jì)算，但在標(biāo)準(zhǔn)模型領(lǐng)域，這樣的差異足夠大，以至于值得注意。研究的合著者、康涅狄格大學(xué)的物理學(xué)家托馬斯·布魯姆說：如果同時(shí)考慮到計(jì)算和測量中的不確定性，就無法判斷這是一個真正的差異，還是僅僅是一個統(tǒng)計(jì)波動，因此，實(shí)驗(yàn)學(xué)家和理論家都在努力提高結(jié)果的精度。合著者之一、布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家井內(nèi)拓指出：

自20世紀(jì)40年代以來，物理學(xué)家一直在試圖通過比較精確的理論計(jì)算和精確的實(shí)驗(yàn)來理解μ子的反常磁矩，這一系列研究促使了粒子物理學(xué)的許多發(fā)現(xiàn)，并繼續(xù)擴(kuò)大我們在理論和實(shí)驗(yàn)方面的知識和能力范圍。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測之間的差異確實(shí)存在，那將意味著其他一些因素（可能是一些尚未發(fā)現(xiàn)的粒子）正在導(dǎo)致μ子的行為與預(yù)期不同，標(biāo)準(zhǔn)模型將需要修訂。研究集中在異常中一個出了名的困難方面，涉及強(qiáng)力（強(qiáng)力是自然界中支配粒子相互作用的四種基本力之一）。

另外還有弱力、電磁力和萬有引力，μ子計(jì)算中最大的不確定性來自通過強(qiáng)相互作用的粒子，即所謂的強(qiáng)子貢獻(xiàn)。這些強(qiáng)子貢獻(xiàn)是由一種叫做量子色動力學(xué)(QCD)的理論定義。研究人員使用了一種叫做格子量子色動力學(xué)的方法，分析強(qiáng)子的一種貢獻(xiàn)，即光對光的散射。康涅狄格大學(xué)物理學(xué)家、論文合著者金陸昌(音譯)表示：為了進(jìn)行計(jì)算，模擬了一個小立方盒中的量子場，其中包含了光對光的散射過程。

在模擬中，可以很容易地得到數(shù)百萬個時(shí)間點(diǎn)和空間點(diǎn)，研究小組使用這臺安裝在阿貢領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算設(shè)施(ALCF)的超級計(jì)算機(jī)來求解量子色動力學(xué)的復(fù)雜數(shù)學(xué)方程，這些方程編碼了所有可能與μ子發(fā)生的強(qiáng)相互作用。美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室ALCF現(xiàn)在讓Mira退役，為功能更強(qiáng)大的Aurora超級計(jì)算機(jī)騰出空間，Aurora超級計(jì)算機(jī)是一個預(yù)定于2021年到達(dá)的億級系統(tǒng)。

研究的大規(guī)模并行系統(tǒng)通過非?？斓木W(wǎng)絡(luò)連接了近50000個節(jié)點(diǎn)，使團(tuán)隊(duì)能夠非常高效地運(yùn)行大型模擬。在進(jìn)行了四年的計(jì)算后，研究人員首次得出了強(qiáng)子光光散射對μ子反常磁矩的貢獻(xiàn)，并控制了所有的誤差。很長一段時(shí)間以來，許多人認(rèn)為這項(xiàng)貢獻(xiàn)（因?yàn)樗侨绱司哂刑魬?zhàn)性）可以解釋這種差異。但在發(fā)現(xiàn)之前的預(yù)估與之相差不遠(yuǎn)，實(shí)際值無法解釋這種差異。

與此同時(shí)，費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行新版本的Muon g-2實(shí)驗(yàn)，旨在將實(shí)驗(yàn)方面的不確定性減少到原來的四分之一倍。這些結(jié)果將為目前正在進(jìn)行的理論研究增添更多洞察。據(jù)我們所知，這種差異仍然存在，正在拭目以待，看看這些結(jié)果是否共同指向了新的物理學(xué)，或者目前的標(biāo)準(zhǔn)模型是否仍然是我們所擁有解釋自然的最好理論。