随着物理学家证实μ子比预期的更有磁性,粒子的神秘程度也加深了。
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2021-04-08 17:27
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火星译客

在费米实验室,μ子在环形加速器中旋转,就像赛车一样不停地旋转。

REIDAR HAHN/FERMILAB

By Adrian ChoApr. 7, 2021 , 11:00 AM

物理学家对基本粒子和力的理解中的一个潜在漏洞现在看起来更真实了。本周,一个由200多名物理学家组成的团队报告说,新的测量证实了一个被称为μ子的转瞬即逝的亚原子粒子可能比理论预测的还要强一些。这种微小的异常现象--10亿中只有2.5部分--对粒子物理学家盛行的理论--标准模型--构成了一个受欢迎的威胁。长期以来,标准模型已经解释了他们在原子粉碎器中所看到的几乎所有东西,让他们渴望新的东西来迷惑。

韦恩州立大学(WayneStateUniversity)的理论家亚历克西·彼得罗夫(AlexeyPetrov)说:“自上世纪70年代以来,我们一直在寻找标准模型“可能就是这里了。”但布鲁克海文国家实验室的理论家萨利·道森(SallyDawson)指出,这一结果仍不确定。“这对我们对物理学的理解没有任何帮助,只是说我们必须再等一段时间,看看它是否是真的。”

几十年来,物理学家们一直在测量μ子的磁性。μ子是电子的一个更重、不稳定的表亲,它的性能就像一个微小的棒磁铁。他们把μ子放在垂直磁场中,使它们像小指南针一样水平旋转。μ子旋转的频率揭示了它们有多有磁性,原则上它可以指向新粒子,即使是那些质量太大的粒子,也不会在像欧洲大型强子对撞机这样的原子撞击器上爆炸。


 

这是因为,由于量子的不确定性,μ子位于其他粒子和反粒子的烟雾中,这些粒子和反粒子在存在和消失之间飞来飞去。这些“虚拟”粒子不能直接观测到,但它们可以影响μ子的性质。量子力学和爱因斯坦的狭义相对论预测,μ子应该具有一定的基本磁性。常见的标准模型粒子在μ介子周围飞散,磁性增加了0.1%左右。而潜伏在真空中的未知粒子可能会增加另一种不可预测的变化。

2001年,当时在布鲁克海文进行的Muong-2实验的研究人员报告说,μ子的磁性比标准模型预测的要强。这一差异仅为理论和实验不确定性的2.5倍左右。这与物理学家宣称一项发现的标准相去甚远:是总不确定性的五倍。但这是一个诱人的迹象,新的粒子,只是他们无法控制。

持续性异常

两次测量在μ子中发现了相同的过剩磁性,可能是未知新粒子的暗示。

图表:v.Altounian/Science;数据:B.Abi等人,Phys.雷特牧师,126,141801(2021年)

因此,2013年,研究人员将该实验带到位于伊利诺伊州的费米国家加速器实验室(Fermilab),在那里他们可以获得更纯净的μ子束。当改进后的实验在2018年开始收集数据时,对μ子磁性的标准模型预测已经改进,实验结果与理论之间的差异已上升到总不确定度的3.7倍。

现在,g-2团队使用了一年的数据,公布了改进后的实验的第一个结果。今天,研究小组在费米实验室的一次研讨会上宣布,新的结果与旧的结果几乎完全一致。费米物理学家、g-2团队的联合发言人克里斯波利(Chris Polly)表示,这一一致表明,旧的结果既不是统计上的侥幸,也不是实验中一些未被发现的缺陷的产物。“因为我是布鲁克海文实验的研究生,这对我来说肯定是一种压倒性的解脱感,”他说。

新的和旧的结果将与标准模型预测的不一致扩大到实验和理论误差的4.2倍。这还不足以证明一个明确的发现。但是俄勒冈大学的理论家格雷厄姆·凯斯说,在一个类似的新物理迹象来来去去的领域里,μ子的磁性仍然是一个几乎奇特的谜团。“没有什么是真正让整个社区站出来的,‘记住,我们也必须处理这件事。’”

2月25日,当实验人员第一次向他们展示新的结果时,整个g-2团队分享了一个真实的时刻。该实验包括测量μ子旋转的速度,以达到精确的精度。为了不让自己下意识地将测量结果控制到他们想要的值上,实验者依赖于一个时钟,这个频率只有两个人知道的秘密频率,两个人都在合作之外。因为新冠肺炎的限制,他们只是在分析的最后才打开了包含秘密频率的信封--在缩放会议上。西雅图华盛顿大学(UniversityofWashington,西雅图)的研究生和团队成员汉娜·宾尼(汉娜·宾尼)说:“确实存在这种极度紧张的气氛。”她说,几秒钟内,研究人员就利用秘密频率来找出新的结果与旧的结果相符。

彼得罗夫说,对新结果的立即反应可能有两方面。首先,随着实验值的确定,物理学家可能会再次质疑理论估计。从2017年开始,130多位理论家参加了一系列的研讨会,为他们在2020年11月发布的标准模型预测确定一个共识值。但彼得罗夫表示,这种计算是一个复杂的“hodgepodge”,它采用了多种方法--包括从对撞机的结果中推断--来解释不同类型的标准模型粒子在真空中的进出。彼得罗夫说,理论家们现在将加倍努力来验证共识价值,并开发计算方法,使他们能够从第一原理中计算出来。

当然,其他人将开始编造新的理论,超越标准模型,解释μ子的额外磁性。彼得罗夫预测:“对于理论家来说,这将是一个大日子。”他们的思考可能还为时过早,因为g-2实验者仍在收集数据,并希望在几年内将实验不确定度降低75%。因此,这种差异仍有可能消失。但是,当μ子真的发出某种新的信号的时候,许多理论家都会急切地想要开始。

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