機器之心編輯部
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。
美國費米加速器實驗室（FNAL）Muon g-2團隊于4月7日發布了萬眾矚目的消息，加劇了自然與理論之間的巨大沖突。
一項為期兩年的物理學研究終于展示了可能揭示新粒子存在并顛覆當今基礎物理學的結果。
比原子小的粒子稱為亞原子。 半個世紀以來，我們對亞原子世界的認識一直沒有突破。 20世紀60年代和1970年代發展的理論現已被合并到“粒子物理標準模型”中。 盡管存在一些無法解釋的現象（例如暗物質、暗能量），但科學家們已經通過測量檢驗了標準模型的預測，并且一些理論成功地通過了檢驗。
然而，總有一些領域存在例外。 例如，關于稱為μ子的亞原子粒子的磁性，數據和理論之間一直存在分歧。 科學家們已經等待了 20 多年，以確定這種差異是否確實存在。
現在，費米加速器實驗室的一項實驗正在慢慢結束漫長的等待。
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生的。 此外，它們還會在百萬分之一秒內衰減，這使得它們難以研究。
無論是在微觀還是宏觀層面，一個既帶電又旋轉的物體就是一塊“磁鐵”，μ介子也不例外。 物理學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 30 年代提出的傳統量子力學理論來預測電子和 μ 子的磁矩。 但當實驗物理學家在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粒子在眨眼間出現。 這些粒子對通過借用能量而產生，并在短時間內湮滅以返回能量。
人類無法直接觀察到這種瘋狂物體的出現和消失。 但如果你接受這個理論并計算它對μ子和電子磁矩的影響，你會發現它與那微小的0.1%的誤差是一致的。 這一計算結果于1948年首次被發現。
在接下來的70年里物理學家崔，科學家們繼續以小數點前后十二位數字的驚人精度預測和測量μ子和電子的磁矩。
結果發現，測量結果和預測結果幾乎相同：前十位數字是相同的數字。 然而，理論和實踐在最后兩位數字上存在分歧。 這種誤差比預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。
我們知道物理學是一門自然科學，其目的是尋求對自然現象邏輯上簡單的描述。 如果數據和理論不一致，顯然其中之一或兩者都是錯誤的。 人類測量可能是錯誤的，計算可能是錯誤的，或者計算可能不包括所有相關的影響。 如果最后一個選項是正確的（有些因素被忽略），則意味著我們的物理標準模型是不完整的。
這意味著現實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子磁矩最好的實驗測量是由紐約長島布魯克海文國家實驗室的μ子g-2實驗進行的。 “g-2”是一個歷史術語，特指比標準量子力學預測高0.1%的量——標準量子力學預測電子或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驗和理論不確定性之和，則得到 3.7。
科學家將此比率稱為“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，科學家會認為它無趣。 如果西格瑪在 3 到 5 之間，科學家就會感興趣，并將其稱為“發現的證據”。 如果 sigma 大于 5，則科學家確信差異是真實且有意義的。 對于 5 以上的西格瑪物理學家崔，科學家通常將他們的論文命名為“ on...”。 5西格瑪是一個重大發現。
因此，布魯克海文 Muon g-2 實驗報告的 3.7 sigma 結果雖然重要，但缺乏足夠的說服力。 需要新的測量來提供進一步的支持。
然而，布魯克海文的加速器設施已盡力而為。 為了做得更好，需要更強大的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驗室費米實驗室。
因此研究人員將 g-2 儀器捆綁在一起并發送給費米實驗室。 G-2裝置形狀像一塊板，寬50英尺，厚6英尺，通過陸路運輸并不容易。 于是他們把設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，抵達伊利諾伊州東北部費米拉布附近的一個港口。 然后他們把設備裝上平板卡車，深夜開往費米實驗室。 2013年7月26日，g-2實驗相關工作在費米實驗室啟動。
科學家們的下一步包括建造建筑物、加速器和基礎設施以進行進一步的測量。 2018 年春天，科學家開始獲取數據。 此后的每一年，科學家們都會花費數月時間進行實驗和收集數據。 每年的實驗稱為一次運行，費米實驗室 Muon g-2 實驗預計運行五次，包括未來的幾次。
費米實驗室可以產生比布魯克海文更多的 μ 子——在運行的第一年（2018 年），費米 μ 子 g-2 實驗收集的數據比之前所有 μ 子實驗的總和還多。 第一次運行收集并分析了超過 80 億個μ子。
費米實驗室加速器的核心是一個直徑50英尺的超導磁存儲環。 這個令人印象深刻的實驗在 -267.78°C 下進行。
這項研究中的測量結果非常精確，精確度為 12 位數字。 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。
費米實驗室使用 g-2 設備進行的最新測量證實了布魯克海文早期的測量是正確的。 當兩個實驗室的數據合并時，數據與理論之間的差異目前為 4.2 sigma，這非常接近“觀察......”標準，但還不夠。
另一方面，最新的測量報告是基于單次運行的。 由于加速器和設施的改進，研究人員希望記錄的數據量是以前記錄的 16 倍。 如果所有數據得到的測量結果與本次報告的測量結果一致，并且測量結果的準確性如預期提高，那么g-2實驗很可能最終證明“標準模型”不是一個完整的理論。 雖然現在下這個結論還為時過早，但現在看來是有可能的。
費米實驗室表示，新的 4.2 西格瑪結果出現統計波動的可能性約為四萬分之一。
這意味著什么？ 如果未來的測量產生相同的結果，則需要修改標準模型。
這一物理世界的新發現在正式發布之前就已經引起了其他期刊的關注。 μ子偏離標準模型計算的有力證據可能暗示令人興奮的新物理概念。 對我們來說，μ子可以成為進入亞原子世界的窗口。
亞原子領域似乎正在發生一些不尋常的事情，μ子的磁矩可能與標準模型預測的不一樣。
物理學會被破壞嗎？ 目前來看，“標準模型”被徹底拋棄的可能性似乎不大。 “標準模型”適用于其他不太精確的測量。 更有可能的是，這個領域存在一類尚未發現的未知亞原子粒子，甚至是一種未知的力量。
標準模型的擴展稱為“超對稱”可能是正確的。 超對稱性預測亞原子粒子的數量將是標準模型的兩倍。 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。 該理論認為，未發現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子磁矩的預測，從而使數據和理論保持一致。
粒子物理學中的超對稱性。 概念圖顯示了超對稱原理 (SUSY) 引入的標準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。 簡單的事實是：可能有許多不同種類的亞原子粒子尚未被發現。 一些解釋暗物質的新理論可能是相關的。 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習，有很多新問題要解決。 理論物理學家已經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：我們長期以來認為理所當然甚至被視為真理的一套理論是不完整的，需要重新思考。 科學研究就是這樣進步的。
從目前的結果來看，這樣說可能還為時過早。 研究人員還需要分析其他運行，以驗證更準確的結果，從而驗證當前的測量結果。
簡述Muon g-2實驗的意義。 （漫畫作者Jorge Cham）
費米實驗室表示，Muon g-2實驗的第二輪和第三輪數據分析正在進行中，第四輪正在進行中，第五輪正在計劃中。
費米實驗室研究副主任喬說：“證實μ介子的微妙行為是一項了不起的成就，它將在未來幾年指導標準模型之外的新物理學研究。” “對于粒子物理研究來說，這是一個激動人心的時刻，費米實驗室處于前沿。”
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，并得到了費米實驗室科學家的證實：
為了讓大家更好地了解這個實驗的內容和意義，費米實驗室還制作了一個科普視頻。 有興趣的同學可以點擊觀看。
參考內容：
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