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反常的缪子:(新)物理是(否)到来?

发布时间 2021-04-17 03:53:33 近日浏览91232

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  反常的缪子:新物(理)是否到来?

  (中)国新(闻)(周)刊(记)者/霍(思)(伊)

  发于2021.4.19总第992(期)《中(国)新闻周刊》

  这(是)一场跨越5000(多)公里的漫长又小心(翼)(翼)的旅行——6月24日,(从)纽约长岛出(发),先是(沿)(着)美国(东)海岸向南到达佛罗里达的顶角,然后进(入)墨西哥(湾),这就花了(一)个月,然后沿着田纳西-汤(比)格比水路向(上)进入(密)西(西)(比)河,(伊)(利)诺伊(河)(和)德斯普(兰)斯河,在7(月)20日(到)达伊(利)(诺)伊(州)的港(口)。一辆经过(特)殊(改)(造)过的卡(车)(已)经等候在码(头),7月26日凌晨4(时)7分,(在)(美)国费(米)国家(加)速器实验室(门)前(的)草坪上,3000人举起了(手),(欢)迎“它”的到来。

  它是(一)(个)重700(吨)、宽(约)15米(的)(巨)大超导磁环,在2013年夏(天),以“尽(可)(能)保持精(度)”的(独)特方式(从)纽约的布鲁克海(文)国(家)实验室运输到费米。(经)过(一)连串复(杂)的(调)试后,这(套)设备于2018年(开)始正式运行。费(米)特(有)(的)(强)大加(速)(器)(源)源不断(地)为(磁)环(注)入(一)种特殊的(粒)(子)——缪子(μ子),(就)像(电)(子)一样,它(在)(磁)环中进行着一种(近)(似)地球围绕(太)阳(的)运(动),既(自)转又公转,(不)过自转的(方)向(不)断偏离,直到(衰)变出一个电子——而它,有可(能)成为(解)码人类和宇宙奥秘的钥匙,并(暗)示着“新(物)理”的到(来)。

  2021年4月7日,(费)(米)(国)家加(速)器(实)(验)室(简称费(米)实(验)室)(宣)布,缪(子)反(常)磁矩(实)验的一期(数)据分析(显)示,缪子在绕磁环运(动)时有一(个)较大(的)摇摆幅度,和标准模型计算出的预(测)情(况)不符。

  这引(发)了(物)理学界(的)震(荡)。(在)4月7日(的)(发)布会(上),费米实验室缪子反常磁矩(实)验的负责人(克)里斯·波莉说,(发)生这种偏差一定是(出)(了)什么(问)(题),可能有(一)些(隐)(藏)(的)东(西)在(发)(挥)作(用)。它们是什么?(可)能是一种新粒子或第五种作用力,也可能缪子内部(还)(有)更深入的结(构)。

  这(些)猜测(全)部令(人)非(常)兴(奋),因为它们都(指)向了一种(超)出标(准)(模)型之(外)的(新)物理。

  极小的偏差

  标准模型(是)人类目前能找到的(最)(精)确的对微观(世)(界)的解释,是整个粒(子)物理学的(根)(基),描述(了)构建宇宙的基(本)粒子和相互(作)用。科学(家)认为,(世)界(是)由17种基本粒(子)构(成),(缪)子是其中(一)种。它是(电)子的表亲,质量是电子的207(倍),(可)以简单理解成“更胖的电子”,除此以外其他(性)质都相(同):都带一个单位(电)荷((正)或负),自旋为1/2,也就是(转)(两)圈(后),会(回)到初始(状)态。

  1936年,(物)理学家在宇宙(射)线中发(现)了(缪)子的存在。当太阳(抛)射出来的(高)能质子(进)入地球时,与(外)层(大)气发生碰撞,产生了缪子,它以光速(冲)向地面,穿透力很(强),(可)以深入2700米(的)(岩)层之下。

  从发现以来,缪子一(直)有一些(无)法解(释)的(奇)(怪)(现)象,比如磁(矩)的(偏)差。缪子会(像)陀螺一样自转,(在)(这)个过程中自身会产生磁(场),磁矩就(反)映磁场(的)量度。理论物(理)(学)家认为,无论(电)子还是(缪)(子),将磁矩进行某种固定的除法(运)(算)后会得(到)一个(常)数(比)值,也(就)(是)g因子,按照标准模型,g应(该)是2.00231930436……(可)以一直(精)确到小数点后11位,但实验(中)发现,缪(子)的g因子(总)(会)和(理)(论)预测值产生(一)定(偏)差,g-2反映的就是这个偏差。这种磁矩上出(现)(的)(反)(常),(就)(是)缪(子)反常磁矩问题。

  这种偏差(其)实(很)(微)小,要一直(读)(到)(小)(数)点后七(位)才会(发)现,但在微观粒子(世)界,任何预测(之)(外)(极)(小)(的)(变)化背(后),都可能(隐)藏着足以震荡整个物理学界的发现。(缪)(子)(磁)矩反(常)之(所)(以)(如)此重(要),是因为一(旦)(确)认,就足(以)打破久经检验的标准模型。粒子物理学在20世纪70年代建(立)(了)集大(成)的标(准)模型(理)(论)之(后),(此)后任何发现都没有超出这个模型。无论(是)通过大(型)(强)子对(撞)机(LHC)等加速器,还(是)在一些用于(寻)找暗(物)质的探测实验(中),所有模型之外的探索(都)失败了。

  但(物)理学家(们)相信,标准(模)型(远)远不(是)完美的,在模型(之)外,(一)(定)(存)在着另一个更广大的、(未)知的世界。标(准)模(型)属于量子(场)论,只(囊)(括)了三种基(本)作用(力):电(磁)力、强相互作用力与(弱)(相)互作用(力),但(没)有描述到(让)苹(果)掉到牛顿(头)上(的)(引)(力)。而在量(子)(力)(学)诞生(之)前,人们理解(这)个世界(的)核(心)(就)是引力。另(一)(方)面,标准模型也无(法)解释(暗)物质(的)存在。我们看到的每一件事物都是与(光)(发)生了相互作(用),但这些物(质)的能量只(占)宇宙中总能量的4%,更(广)袤的(宇)宙是黑暗的,(由)暗物(质)(组)成,它(们)既(不)(吸)收光,也不发射光,人类目前还没有发现任何一个暗(物)质(粒)子。

  为了解(释)(这)些现象,物(理)学家试图(开)拓“新物(理)”的疆域,寻找(标)(准)模型之外的物理。(有)一(些)迹象表(明)了新(物)(理)的存(在),其中一个是1998年(发)现(的)中微子振荡,另一(种)就是缪子的(磁)矩反(常)。

  在研(究)缪子的过(程)中,(一)开始,人们并不觉得是理论出了(问)题,而(认)为是计算不够精确,(比)如,没有(考)(虑)到量子涨落。(上)海(交)通大学粒(子)物理教授李亮是此次(实)(验)(的)核心参与人(员)之一。他(对)《中(国)新闻周刊》解(释),真空不是空的,时空像泡沫一样,(有)大量的虚(拟)(粒)(子)存(在),它们会在某(个)(瞬)(间)突然出现,又突(然)消失,(因)(为)难(以)捕捉,所以(是)虚的,(这)就是量子涨落,这又会对缪子的磁(场)(产)(生)干扰。基(于)此,实(验)人员对计算进行了(修)正,(最)开始(是)一阶(修)正,只考(虑)光子的干扰,此后还有(二)(阶)(修)正、三阶(修)正,(也)就是排(除)更多(粒)子(的)(干)扰,(如)W、Z玻色(子),希格斯玻色子等。

  但科学家们很(快)发现,即使排除了这(些)(干)扰,实(验)测出的缪子(磁)矩(仍)(然)(存)在(反)常。(从)1930年代起,不同的实验结果相(继)(印)证了这种反常,但受限于(精)度问题,人们对自(己)的发(现)并(不)自信,直到美国布鲁(克)(海)文国(家)实验室(在)2006年相对明确地提出(了)这个现象。(而)(费)(米)实(验)室的发现在布鲁克海文的基础上更进一步,不仅提(高)了测(量)精度,(一)期数据的分析结果也将结(论)的“有(效)性”提(高)到了4.2σ,这是(在)(统)(计)学上(的)意义,也就是4.2(倍)(标)(准)方差。

  李亮指出,这(是)一个非常有力的(证)(据),4.2σ,(就)是出现统计误差的(概)率(只)有四(万)分之(一),换(句)话说,这(个)(发)现有99.99%的概率是正确的。(但)科(学)(界)更严谨,按规(定),(只)有(标)(准)方差达到5σ,才称得上是一个“(发)现”,也就是(保)证(实)验只(有)350万分(之)(一)的(概)率(出)错。但(目)前(这)只是(一)(期)(结)果,分析的是2018年的运(行)数据,还有2019、2020(年)(的)二期、三期数(据),(其)数(据)量将会是一期(的)7倍,最快将(于)(一)(年)后公布。“(我)有(充)分的信心,之(后)(两)期的数据(分)析(出)来(后),会有很(大)的概率达到5σ,(这)意(味)着,不是(由)于(计)算(问)题,也不是由于(测)量精度不够,在(进)行各种高阶修正之后,缪(子)的磁矩和标准(模)型的预测值仍(存)在一点点偏差。”他(说)。

  新物理(是)(否)到来?

  (在)费米实(验)室,跨越了5100多(公)里的巨型超导铁(磁)环在(撤)去(了)专为(运)输(设)计的红白金属罩后,露出了里面(的)(蓝)色(超)(导)线圈。这些线圈可(以)产生1.45(特)斯拉的磁场,约为地(球)磁场的30000(倍)。(实)验室的超强质(子)加速器以平(均)(每)秒11.4次的(频)(率)将10~12(个)(质)(子)组(成)(的)质子束团不断加速、衰变生成3.094GeV能量(的)缪(子)束团。缪子束团被射入(铁)(磁)环后,开(始)以(接)(近)光(速)(的)速率一(圈)又(一)圈地运动,(在)绕了几(千)圈后,(每)个缪子会衰变(出)(一)个电子,(这)些(电)子(被)探测器(检)(测)出(来)。实验人员(通)(过)提取电子的信息,可以得到(衰)变前缪子的磁(矩)。(在)(这)个过(程)中,缪子像一个(自)身不(停)旋转的陀螺,自转轴不断偏离最初的方向。陀螺歪了。

  这是一个非常优美(而)简(洁)(的)实验,也是一个很(经)典的(实)验(原)理。(从)1960年代起,不同实验室在测量缪子反(常)磁矩时都是采(取)这个(方)案。李亮指(出),费米实(验)室在进(行)实验时,实验(原)理与布鲁克海文相同,但在精度上作了(很)(大)改进。费米实验室可(以)输(出)(美)国(强)度最大的缪(子)源,(其)(缪)子束流强度是布鲁克海文(实)验的10倍,最终的(数)(据)(量)会达到(布)鲁(克)海文(的)20倍。而且,(之)(所)以采用已有的磁(环),是因为(在)这个实验中,磁场的均匀非(常)(关)键。如果再造一个新的,其均匀(程)度不会像(已)(经)使用过(的)电磁环这么(完)善,还要花大量时间重新(校)准。

  李亮还表示,(探)(测)器的灵(敏)度尤为重(要),费米实验的(探)测(器)是全新的,采(用)了(一)种(会)发光的氟化铅晶体,它(的)生(产)线(就)在中国,由中科院上海硅酸盐研(究)所和上海交大(联)合研(发)。一方面,氟化铅晶(体)的响应时间非常快,(可)以(在)短时(间)内做多(次)(测)量,其次是精度(很)高,且(可)以更(好)地(减)少(对)磁(场)的(干)扰。

  多年来,(测)量精度不够高,一直(是)物理学界对(自)己的发(现)不自(信)(的)主要原因之一。(由)测量带来的误(差)包含(统)计误差(和)系统误差两种,(布)鲁克海文实验(的)系统误差(是)0.28ppm(千万分之二点八),费米(实)验室通(过)(改)进硬件(和)技术,将这个误差降低(到)(了)0.16ppm,这(是)一个很大的(跃)迁。而在(统)计误差上,布(鲁)克海文是0.46ppm, (费)米是0.43ppm。

  在如此高精度(的)背景下,(得)出(了)一(个)非常(有)(希)望的(发)现(以)后,(现)在,人(们)(要)思考的是,陀螺为(什)么歪了?

  在李(亮)(看)来,目前学界有两种主要的猜测。一(种)是出现了(标)准模型之外的新的基(本)粒子。对此很容易理解,因为(当)缪(子)在电磁环中没有(按)照(预)(定)轨迹运动时,一定有(一)(个)外界(力)量干扰,这可能(是)一(些)人类(现)在还(无)(法)观测到的全新粒子,(由)于(和)这些(粒)子(发)(生)了相(互)作用,(使)缪子(的)轨迹出现了偏(差)。所以接(下)来就要(回)(答),(这)个新(粒)(子)从哪(来)(的)?它有(什)么性质?(它)和标准(模)型基(本)(粒)子的(关)系是(什)(么)?

  第(二)种可能性是,缪子不(再)是(不)(可)(分)的点粒子,内部还(有)微观(结)(构),这(些)内(部)(粒)(子)(可)能(在)(一)定条件下发生(相)互作用,从而(在)整体上(影)响了(缪)(子)的磁矩。

  中科院(院)士、中科(院)高能物理所所长王贻芳对《中国新闻周刊》指(出),现(在)谈这些还为时尚早,首先,费(米)实验(最)后(的)4.2σ(是)在(综)(合)了布(鲁)克海文实验(的)(数)(据)(后)得(出)(的)。(如)果单看(费)米(一)个(实)验(的)结果,得出的(标)准(方)(差)是 3.3σ, 比布鲁(克)海文当年(的)数据3.7σ还要小,(目)(前)还(不)(确)定(之)(后)的结果会让(这)(个)(数)字变得(更)大,还是更小了。在(过)去的粒子物理(历)史(中)有(很)多例子,原(本)的(统)计数字是3(点)多,(后)来(却)(下)(降)了。(即)使(到)了5,也要检验(这)个数(字)(是)否足够(精)(确)。

  (王)贻(芳)还(表)示,除了这种不确(定)性以(外),(也)无法排除是否可能理(论)计算出现了误(差),才造成目前的结果。而且,理论计算在相当大(的)(程)(度)(上)也利用了一(些)此前已有的实验数据,实(验)数据(本)身也需(要)(再)检查。

  在(这)个实验(中),最关键的环节是把(实)验数据和(理)(论)计(算)数据进行(对)比,理论计算是依据标准模型来预测,但由于缪子的不稳定(性),(在)计算时有较大的不(确)定性,(在)1968年就(发)(生)过类似的(事)情。当(时),欧洲核子中心的(实)验物理(学)家得出一个和理论计算存(在)1.7σ差(距)的结果,后来发现出现(偏)差是(理)论计算(出)了(问)题,(修)复错(误)后,(理)论和(实)验结果吻合得很好。2016年,(来)(自)全球82个机构的132名顶(级)理论物(理)(学)家组成了联盟,分成不(同)(组)(独)立进(行)计算,(最)终达成(共)(识),理(论)预测出来(的)g是2.0023318362。费米实验室(的)测量(结)(果)就是和这个数字(进)(行)比(较)。

  李(亮)(指)(出),在(缪)子(和)周围虚粒(子)发生作用(而)带来(的)各种变化中,计算不确(定)(性)的一个主要因素是强(子)(真)空极化(效)(应),虽然这只有很小的概率(发)生。(当)(缪)(子)(在)(传)播时,可能会(瞬)间(发)(射)(出)一(个)光(子),光(子)会衰变(成)强(子)和反强(子),强(子)(和)反(强)子(又)迅速(变)(回)光子,然(后)再被缪子重(新)吸收。这个过程被称为强子(真)空极化。这个现象(很)(难)进入标准模型的计(算)中,(因)为强(子)不(是)(孤)(立)出现,数量(很)多,(像)粒子云一样,这中间(发)生(的)各种作用很难(准)确预测。

  但如果经过检(验)之后,最(后)证明这个反(常)确(实)存在,王贻(芳)说:“这将是我(们)第一次非常明确(地)看到超出标(准)模型的实验现象。”

  不过,上海交通大学粒子与核物(理)研究所副所长刘江(来)(也)(对)《中国新(闻)周刊》(强)调,即使真的(可)能(存)在新(粒)子,这种新粒子到底是(什)么,按现有的各种模型会有非常多(的)可能,(比)如超对(称)模型,暗物质模型(等),物理学(界)要先确定哪一(种)模(型)更(接)近(真)实,有一个方向后,再通过对撞机去寻找新粒(子)。

  “费米实验只给出(了)间接证据,确定新粒子(或)第五(种)作用力,要有(更)直接(的)观测(证)据。这(不)(会)是(一)个很快的(过)程,可能(还)要(走)(很)远。(但)毫无疑(问),这(会)让(新)物理(向)(前)推进一大步,也会拓宽(原)本(的)标准模型,(接)下(来),理论物理学家们(会)很(兴)奋。”刘江来(说)道。

  《中国新闻(周)刊》2021(年)第14(期)

  声明:刊用《中(国)新闻周刊》稿件务(经)(书)面(授)权

【编辑:陈海峰】

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