物理学恐被颠覆:科学家在「最后的尝试」中发现未知粒子存在的证据

人类智慧和宇宙真理之间,就差那 0.1%?这可能意味着一种全新的粒子,甚至一种未知的力。
美国费米加速器实验室(FNAL)Muon g-2 小组 4 月 7 日发表了一份万众期待的公告,巩固了自然与理论之间的巨大冲突。

一项持续二十年的物理学研究终于要呈现结果了,它可能揭示出新粒子的存在,并颠覆现今的基础物理学。

比原子还小的粒子,我们称之为亚原子。在过去的半个世纪,人们对亚原子世界的了解并没有取得突破性进展。上世纪六七十年代发展起来的理论如今已经被合并为「粒子物理学的标准模型」。虽然有一些无法解释的现象(如暗物质、暗能量),但科学家已经将标准模型的预测与测量结果进行了测试,有些理论也已经成功地通过了测试。

但是,总有些领域存在例外。比如,一种被称为 μ子(moun)的亚原子粒子磁性能数据和理论之间一直存在分歧。为了确定这一差异是否真的存在,科学家们已经等了 20 多年。

现在,费米加速器实验室的一项实验正在给这一漫长的等待慢慢画上句点。

μ子是持续时间短暂的亚原子粒子,就像人们更熟悉的电子一样,μ子也带有电荷并自旋。μ子的质量要比表亲电子大 200 倍,当宇宙射线撞击地球的大气层时,自然会产生μ子。此外,它们也会在百万分之一秒内衰变,这让人们难以对其进行研究。

无论是在微观还是宏观层面,既带电又自旋的物体就是「磁铁」,μ子也不例外。物理学家将这种物质组成的磁体带有的磁性称为「磁矩」。人们可以使用 1930 年代提出的传统量子力学理论来预测电子和μ子的磁矩。但是,当实验物理学家们在 1948 年完成对电子磁矩的首次测量时,它比理论值高了 0.1%。

这种微小差异的成因可追溯到某些真正未知且神秘的量子行为——在物理世界极小的尺度范围内,空间不是静止的,取而代之的是无尽的混乱。在这里,眨眼之间就会出现成对的粒子和反物质粒子,这些粒子对借取能量而生成,又在短时间内湮灭归还能量。

人类无法直接观察这种疯狂的物体的出现和消失。但如果你接受了这种理论,并计算出它对μ子和电子的磁矩的影响,你就可以发现,它和那微小的 0.1% 误差完全吻合。这一计算结果在 1948 年首次被人们发现。

在往后的 70 年里,科学家们不断预测并测量了μ子和电子的磁矩,其精确度达到了惊人的小数点前后十二位数。

人们发现,测量和预测的结果几乎一致:前十位数字为同样的数字。但是,理论和实践对于最后的两位数出现了分歧。这样的误差,大于预测和测量之间不确定性所产生的分歧,两者之间总有一个有问题。

我们知道, 物理学是一门自然科学, 它的目的是要寻求对自然现象逻辑上简单的描述。如果数据和理论不一致,显然其中一个或两者均是错误的。人类的测量可能有错,计算也可能有错,或者计算未包含所有的相关影响。如果最后一个选项是对的——存在被忽略的影响因素——则意味着我们物理学的标准模型是不完整的。

这就意味着,现实的物理世界中存在一些新的、意想不到的东西。

在过去的 20 年里,对μ子磁矩的最佳测量实验是由纽约长岛布鲁克海文国家实验室的 Muon g-2 实验进行的。「g-2」是历史名词,专指比标准量子力学的预测高出 0.1%的量——标准量子力学预测,电子或μ子的磁矩为「g」。

那次理论与实测之间的差异很大,如果用这个差异除以实验和理论不确定性的组合,则结果为 3.7。

科学家们将该比率称为「sigma」,并使用 sigma 来评估测量的重要性。如果 sigma 小于 3,科学家会认为这并不有趣。如果 sigma 在 3 到 5 之间,则科学家们会开始变得感兴趣,并将这种状况称为「某项发现的证据」。如果 sigma 大于 5,则科学家有信心认为该差异是真实且有意义的。对于 5 以上的 sigma,科学家通常将其论文命名为「对…… 的观察」。5 sigma 就是重大发现了。

因此,在布鲁克海文 Muon g-2 实验中报告的 3.7 sigma 结果虽然很重要,但说服力仍然不足。人们需要一个新的测量来给出进一步的支撑。

然而,布鲁克海文的加速器设施已经尽其所能了。要想做得更好,还需要更强大的μ子来源。接力棒传到了位于芝加哥以西的美国旗舰粒子物理实验室:费米实验室(Fermilab)手上。

因此,研究者将 g-2 仪器捆绑在一起,并将其送到费米实验室。g-2 装置的形状像一个盘子,宽度为 50 英尺,厚度为 6 英尺,走陆运并不容易。因此,他们将设备放在了货船上。该货船沿着美国东海岸、密西西比河及其部分支流,一直行驶到伊利诺伊州东北部费米实验室附近的一个港口。然后,他们将设备放在平板卡车上,并在深夜将其开到费米实验室。2013 年 7 月 26 日,g-2 实验相关工作在费米实验室展开。

科学家们接下来的工作包括建造建筑物、加速器和基础设施,以进行进一步的测量。2018 年春,科学家们开始获取数据。之后的每一年,科学家们都要花费数月时间进行实验并收集数据。每年进行的实验被称为一次 run,费米实验室 Muon g-2 实验预计将运行 5 次 run,包括未来的几次。

费米实验室可以产生比布鲁克海文更多的μ子——在实验运行的第一年(2018 年),费米 Muon g-2 实验收集的数据便超过了所有先前的μ子实验的总和。第一轮 run 收集并分析了超过 80 亿个μ子。

费米实验室的加速器核心是直径为 50 英尺的超导磁存储环。这个令人印象深刻的实验在 - 267.78℃下运行。

这项研究中的测量非常精确,精度达到 12 位数。这就如同在测量地球赤道长度时精确到比一张打印纸厚度还要小的程度。

费米实验室使用 g-2 设备的最新测量结果证实了布鲁克海文早期的测量是正确的。当把两个实验室的数据结合起来时,数据与理论之间的差异目前是 4.2 sigma,非常接近「对…… 的观察」标准,但还远远不够。

另一方面,最新的测量报告是基于一次 run 得出的。由于对加速器和设施进行了改进,研究者希望此次记录的数据量能达到此前的 16 倍。如果利用全部数据得到的测量结果与本次报告的测量结果一致,并且测量结果的精度如预期一样提高,那么 g-2 实验很有可能最终证明「标准模型」并不是完整的理论。虽然目前得出这一结论还为之过早,但现在看来很有可能。

费米实验室表示,新的 4.2 sigma 结果出现统计波动的几率约为 1/40,000。

这意味着什么?如果未来的测量结果相同,那么「标准模型」就需要被修改。

这次物理世界的新发现,在还没正式发布之前就已经吸引了 Nature 等期刊的关注。μ子偏离标准模型计算的有力证据可能暗示了令人兴奋的全新物理学概念。对于我们来说,μ子可以是进入亚原子世界的窗口。

亚原子领域似乎正在发生一些不寻常的事情,μ子的磁矩可能并不像「标准模型」所预测的那样。

物理学会被颠覆吗?目前看来,「标准模型」不太可能被完全丢弃。「标准模型」在其他不那么精确的测量中效果很好。更有可能的是,这一领域存在一类尚未发现的未知亚原子粒子,甚至一种未知的力。

一种被称为「超对称性」的标准模型扩展可能是正确的。按照超对称性理论的预测,亚原子粒子的数量将是标准模型的两倍。在纯超对称理论中,这些新粒子将具有与已知粒子相同的质量,但这种可能被许多测量结果排除了。

然而,可能存在超对称理论的修改版本。这种理论认为,未发现的兄弟粒子比已知粒子更重。如果是这样,它将以正确的方式修改μ子磁矩的预测,以使数据和理论保持一致。

粒子物理学中的超对称性。概念图展示了由超对称性(SUSY)原理引入的标准模型粒子及其更重的超对称伙伴粒子。

超对称性只是一种可能的解释。一个简单的事实是:可能有许多不同种类的亚原子粒子尚未被发现。一些解释暗物质的新理论可能与此相关。也有可能存在一些我们现在完全没有想到的事情。

但不知道也不是什么坏事。这只是意味着我们还有很多新东西要学习,有很多新问题要解决。理论物理学家已经在思考这种新测量方法的含义,以及可以解释它的理论类型。重要的是,我们要接受这样一个事实:我们长期以来习以为常甚至奉为真理的一套理论是不完整的,我们需要重新思考。这就是科学研究前进的方式。

就目前的结果来看,这么说或许为之过早。研究者还需要分析其他 run,核查那些用于验证当前测量结果的更加精确的结果。

简单描述一下 Muon g-2 实验的意义。(漫画作者 Jorge Cham)

费米实验室表示,Muon g-2 实验的第二和第三轮数据分析正在进行中,第四轮实验正在进行中,而第五轮正在计划中。

「证实μ子的微妙行为是一项了不起的成就,它将在今后的几年中指导人们提出超越标准模型的新物理研究,」费米实验室研究副总负责人 Joe Lykken 说道。「这是粒子物理学研究激动人心的时刻,费米实验室正处在最前沿。」

我们或许可以期待新诺奖的诞生。至少在《生活大爆炸》最终季里,剧中谢尔顿和艾米提出了新的理论,被费米实验室的科学家证实后:

为了让大家更加了解本次实验的内容与意义,费米实验室还专门做了一个科普视频,感兴趣的同学可以点开观看。


参考内容:
https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/
https://www.quantamagazine.org/muon-g-2-experiment-at-fermilab-finds-hint-of-new-particles-20210407/
https://www.forbes.com/sites/drdonlincoln/2021/04/07/have-fermilab-scientists-broken-modern-physics/?sh=5bda9e7f3542
理论粒子物理学
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