機(jī)器之心編輯部
人類的智慧與宇宙真理之間只有那0.1%的差距嗎？ 這可能意味著一種全新類型的粒子，甚至是一種未知的力。
美國費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室（FNAL）Muon g-2團(tuán)隊(duì)于4月7日發(fā)布了萬眾矚目的消息，加劇了自然與理論之間的巨大沖突。
一項(xiàng)為期兩年的物理學(xué)研究終于展示了可能揭示新粒子存在并顛覆當(dāng)今基礎(chǔ)物理學(xué)的結(jié)果。
比原子小的粒子稱為亞原子。 半個世紀(jì)以來，我們對亞原子世界的認(rèn)識一直沒有突破。 20世紀(jì)60年代和1970年代發(fā)展的理論現(xiàn)已被合并到“粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型”中。 盡管存在一些無法解釋的現(xiàn)象（例如暗物質(zhì)、暗能量），但科學(xué)家們已經(jīng)通過測量檢驗(yàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測，并且一些理論成功地通過了檢驗(yàn)。
然而，總有一些領(lǐng)域存在例外。 例如，關(guān)于稱為μ子的亞原子粒子的磁性，數(shù)據(jù)和理論之間一直存在分歧。 科學(xué)家們已經(jīng)等待了 20 多年，以確定這種差異是否確實(shí)存在。
現(xiàn)在，費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)正在慢慢結(jié)束漫長的等待。
μ子是壽命較短的亞原子粒子，像我們更熟悉的電子一樣，帶有電荷和自旋。 μ 子的質(zhì)量是其近親電子的 200 倍，是宇宙射線撞擊地球大氣層時自然產(chǎn)生的。 此外，它們還會在百萬分之一秒內(nèi)衰減，這使得它們難以研究。
無論是在微觀還是宏觀層面，一個既帶電又旋轉(zhuǎn)的物體就是一塊“磁鐵”，μ介子也不例外。 物理學(xué)家將這種材料組成的磁體的磁性稱為“磁矩”。 人們可以使用 20 世紀(jì) 30 年代提出的傳統(tǒng)量子力學(xué)理論來預(yù)測電子和 μ 子的磁矩。 但當(dāng)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在1948年首次測量電子磁矩時，它比理論值高出了0.1%。
這種微小差異的原因可以追溯到一些真正未知且神秘的量子行為——在物理世界的極小尺度上，空間不是靜止的，而是被無盡的混沌所取代。 在這里，成對的粒子和反物質(zhì)粒子在眨眼間出現(xiàn)。 這些粒子對通過借用能量而產(chǎn)生，并在短時間內(nèi)湮滅以返回能量。
人類無法直接觀察到這種瘋狂物體的出現(xiàn)和消失。 但如果你接受這個理論并計(jì)算它對μ子和電子磁矩的影響，你會發(fā)現(xiàn)它與那微小的0.1%的誤差是一致的。 這一計(jì)算結(jié)果于1948年首次被發(fā)現(xiàn)。
在接下來的70年里物理學(xué)家崔，科學(xué)家們繼續(xù)以小數(shù)點(diǎn)前后十二位數(shù)字的驚人精度預(yù)測和測量μ子和電子的磁矩。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測量結(jié)果和預(yù)測結(jié)果幾乎相同：前十位數(shù)字是相同的數(shù)字。 然而，理論和實(shí)踐在最后兩位數(shù)字上存在分歧。 這種誤差比預(yù)測和測量之間的不確定性造成的差異更大，而且兩者之一總是有問題。
我們知道物理學(xué)是一門自然科學(xué)，其目的是尋求對自然現(xiàn)象邏輯上簡單的描述。 如果數(shù)據(jù)和理論不一致，顯然其中之一或兩者都是錯誤的。 人類測量可能是錯誤的，計(jì)算可能是錯誤的，或者計(jì)算可能不包括所有相關(guān)的影響。 如果最后一個選項(xiàng)是正確的（有些因素被忽略），則意味著我們的物理標(biāo)準(zhǔn)模型是不完整的。
這意味著現(xiàn)實(shí)的物理世界中存在一些新的、意想不到的事物。
過去20年來，對μ子磁矩最好的實(shí)驗(yàn)測量是由紐約長島布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的μ子g-2實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的。 “g-2”是一個歷史術(shù)語，特指比標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)預(yù)測高0.1%的量——標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)預(yù)測電子或μ子的磁矩為“g”。
理論和測量之間的差異是巨大的，如果將此差異除以實(shí)驗(yàn)和理論不確定性之和，則得到 3.7。
科學(xué)家將此比率稱為“西格瑪”，并使用西格瑪來評估測量的顯著性。 如果西格瑪小于3，科學(xué)家會認(rèn)為它無趣。 如果西格瑪在 3 到 5 之間，科學(xué)家就會感興趣，并將其稱為“發(fā)現(xiàn)的證據(jù)”。 如果 sigma 大于 5，則科學(xué)家確信差異是真實(shí)且有意義的。 對于 5 以上的西格瑪物理學(xué)家崔，科學(xué)家通常將他們的論文命名為“ on...”。 5西格瑪是一個重大發(fā)現(xiàn)。
因此，布魯克海文 Muon g-2 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的 3.7 sigma 結(jié)果雖然重要，但缺乏足夠的說服力。 需要新的測量來提供進(jìn)一步的支持。
然而，布魯克海文的加速器設(shè)施已盡力而為。 為了做得更好，需要更強(qiáng)大的μ介子源。 接力棒被傳遞到了位于芝加哥以西的美國旗艦粒子物理實(shí)驗(yàn)室費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室。
因此研究人員將 g-2 儀器捆綁在一起并發(fā)送給費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室。 G-2裝置形狀像一塊板，寬50英尺，厚6英尺，通過陸路運(yùn)輸并不容易。 于是他們把設(shè)備放到了一艘貨船上。 這艘貨船沿著美國東海岸、密西西比河及其部分支流行駛，抵達(dá)伊利諾伊州東北部費(fèi)米拉布附近的一個港口。 然后他們把設(shè)備裝上平板卡車，深夜開往費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室。 2013年7月26日，g-2實(shí)驗(yàn)相關(guān)工作在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室啟動。
科學(xué)家們的下一步包括建造建筑物、加速器和基礎(chǔ)設(shè)施以進(jìn)行進(jìn)一步的測量。 2018 年春天，科學(xué)家開始獲取數(shù)據(jù)。 此后的每一年，科學(xué)家們都會花費(fèi)數(shù)月時間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)。 每年的實(shí)驗(yàn)稱為一次運(yùn)行，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室 Muon g-2 實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)運(yùn)行五次，包括未來的幾次。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室可以產(chǎn)生比布魯克海文更多的 μ 子——在運(yùn)行的第一年（2018 年），費(fèi)米 μ 子 g-2 實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)比之前所有 μ 子實(shí)驗(yàn)的總和還多。 第一次運(yùn)行收集并分析了超過 80 億個μ子。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室加速器的核心是一個直徑50英尺的超導(dǎo)磁存儲環(huán)。 這個令人印象深刻的實(shí)驗(yàn)在 -267.78°C 下進(jìn)行。
這項(xiàng)研究中的測量結(jié)果非常精確，精確度為 12 位數(shù)字。 這就像測量地球赤道長度的精度小于一張打印紙的厚度一樣。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室使用 g-2 設(shè)備進(jìn)行的最新測量證實(shí)了布魯克海文早期的測量是正確的。 當(dāng)兩個實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)合并時，數(shù)據(jù)與理論之間的差異目前為 4.2 sigma，這非常接近“觀察......”標(biāo)準(zhǔn)，但還不夠。
另一方面，最新的測量報(bào)告是基于單次運(yùn)行的。 由于加速器和設(shè)施的改進(jìn)，研究人員希望記錄的數(shù)據(jù)量是以前記錄的 16 倍。 如果所有數(shù)據(jù)得到的測量結(jié)果與本次報(bào)告的測量結(jié)果一致，并且測量結(jié)果的準(zhǔn)確性如預(yù)期提高，那么g-2實(shí)驗(yàn)很可能最終證明“標(biāo)準(zhǔn)模型”不是一個完整的理論。 雖然現(xiàn)在下這個結(jié)論還為時過早，但現(xiàn)在看來是有可能的。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室表示，新的 4.2 西格瑪結(jié)果出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)波動的可能性約為四萬分之一。
這意味著什么？ 如果未來的測量產(chǎn)生相同的結(jié)果，則需要修改標(biāo)準(zhǔn)模型。
這一物理世界的新發(fā)現(xiàn)在正式發(fā)布之前就已經(jīng)引起了其他期刊的關(guān)注。 μ子偏離標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算的有力證據(jù)可能暗示令人興奮的新物理概念。 對我們來說，μ子可以成為進(jìn)入亞原子世界的窗口。
亞原子領(lǐng)域似乎正在發(fā)生一些不尋常的事情，μ子的磁矩可能與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的不一樣。
物理學(xué)會被破壞嗎？ 目前來看，“標(biāo)準(zhǔn)模型”被徹底拋棄的可能性似乎不大。 “標(biāo)準(zhǔn)模型”適用于其他不太精確的測量。 更有可能的是，這個領(lǐng)域存在一類尚未發(fā)現(xiàn)的未知亞原子粒子，甚至是一種未知的力量。
標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展稱為“超對稱”可能是正確的。 超對稱性預(yù)測亞原子粒子的數(shù)量將是標(biāo)準(zhǔn)模型的兩倍。 在純粹的超對稱理論中，這些新粒子將具有與已知粒子相同的質(zhì)量，但許多測量都排除了這種可能性。
然而，超對稱理論可能有修改版本。 該理論認(rèn)為，未發(fā)現(xiàn)的同級粒子比已知粒子重。 如果是這樣，它將以正確的方式修改μ子磁矩的預(yù)測，從而使數(shù)據(jù)和理論保持一致。
粒子物理學(xué)中的超對稱性。 概念圖顯示了超對稱原理 (SUSY) 引入的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子及其較重的超對稱伙伴。
但超對稱只是一種可能的解釋。 簡單的事實(shí)是：可能有許多不同種類的亞原子粒子尚未被發(fā)現(xiàn)。 一些解釋暗物質(zhì)的新理論可能是相關(guān)的。 也許還有一些我們還沒有想到的事情。
但不知道并不是壞事。 這只是意味著我們有很多新東西要學(xué)習(xí)，有很多新問題要解決。 理論物理學(xué)家已經(jīng)在思考這種新測量方法的含義，以及可以解釋它的理論類型。 重要的是，我們要接受這樣一個事實(shí)：我們長期以來認(rèn)為理所當(dāng)然甚至被視為真理的一套理論是不完整的，需要重新思考。 科學(xué)研究就是這樣進(jìn)步的。
從目前的結(jié)果來看，這樣說可能還為時過早。 研究人員還需要分析其他運(yùn)行，以驗(yàn)證更準(zhǔn)確的結(jié)果，從而驗(yàn)證當(dāng)前的測量結(jié)果。
簡述Muon g-2實(shí)驗(yàn)的意義。 （漫畫作者Jorge Cham）
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室表示，Muon g-2實(shí)驗(yàn)的第二輪和第三輪數(shù)據(jù)分析正在進(jìn)行中，第四輪正在進(jìn)行中，第五輪正在計(jì)劃中。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室研究副主任喬說：“證實(shí)μ介子的微妙行為是一項(xiàng)了不起的成就，它將在未來幾年指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理學(xué)研究。” “對于粒子物理研究來說，這是一個激動人心的時刻，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室處于前沿。”
我們或許可以期待新的諾貝爾獎的誕生。 至少在《生活大爆炸》最后一季中，謝爾頓和艾米提出了一個新理論，并得到了費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家的證實(shí)：
為了讓大家更好地了解這個實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和意義，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室還制作了一個科普視頻。 有興趣的同學(xué)可以點(diǎn)擊觀看。
參考內(nèi)容：
? 結(jié)束
