物理学乌云再现!两周之内,标准模型再遭冲击

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作为描述基本粒子与作用力的最佳模型,标准模型却并不完美,这使得粒子物理学家一直在寻找存在于该模型之外的未知粒子和基本相互作用。就在今天,美国费米国家实验室缪子g-2实验的数据公布,并且引发了轰动。这项试验的结果与理论预测之间存在4.2σ的偏差——距离能宣称“发现新物理”的5σ仍有一步之遥。这个结果究竟意味着什么,标准模型还能像以往一样屹立不倒吗?

编译|王昱

审校|吴非

2月末,当数百名物理学家在一场Zoom会议中讨论他们的实验结果时,没人知道他们到底发现了什么。就像临床试验中的医生,缪子g-2实验的研究者对他们的数据感到困惑。多年来,这其中隐藏的变量一直在阻止他们了解,这一切到底意味着什么。

但当数据在Zoom会议上揭晓时,物理学家们意识到,他们的等待是值得的:他们的结果进一步巩固了“新物理”存在于缪子(µ子)的证据。伦敦大学学院物理学家丽贝卡·奇斯莱特(Rebecca Chislett)是缪子g-2合作组织的成员,她说:“在当下的时间点,我们看到了结果,但还不知道这意味着什么。它令人兴奋,紧张,但至少也让人松了一口气。”

尽管标准模型在解释构建宇宙的基本粒子和基本相互作用时取得了显著成功,但它的描述仍然是非常不完整的。一方面,标准模型没有解释引力;另一方面,它在暗物质、暗能量和中微子质量等问题上也保持缄默。为了解释这些现象,研究人员一直在寻找新物理——通过实验结果和理论预测的偏差来寻找标准模型之外的物理。

缪子g-2是美国费米国家实验室开展的一项实验,旨在通过精确测量µ子在磁场中的摆动,精确地确定其磁矩。如果这些粒子磁矩的实验值和理论预测的不一样,这其中的偏差可能就是新物理学存在的标志,比如一些微小、未知的影响µ子的粒子或力。根据缪子g-2合作组织在《物理评论快报》的3篇论文中的报道,此次公布的数据精度达到了前所未有的0.35ppm(ppm表示百万分之一),而在这个精度上,µ子最新数据和理论预测差了一点点(0.00000000251),置信度为4.2σ。如果达到5σ,物理学家便可以声称,这里一定出了问题。而现在,这个接近却未达到5σ的数值,令不少物理学家对新物理的存在感到乐观。

当然,也并非所有人都持有乐观的态度。许多偏离标准模型的现象都自己没了下文,留下标准模型不战而胜,因此,另一些物理学家已经厌倦了这些“突破性的发现”,为它们的前景感到悲观。这项在物理学界引发轰动的研究,究竟是怎么回事?

反常磁矩

µ子和电子几乎相同。两种粒子带有相同的电荷及其他量子属性,比如自旋。但µ子的质量是电子的200倍,因此它们寿命很短,会衰变成更轻的粒子。结果是,µ子不能替代电子在结构方面的关键作用。几乎所有原子间的化学键,都是由于电子的稳定性才能存在,而原子构建了我们熟知的世界。磁矩是一个和自旋正紧密相关的物理量,此次实验测量的是磁矩与理论预测的偏差,被称为µ子反常磁矩问题

当德国物理学家保罗·昆泽(Paul Kunze)在1933年首次观测到μ子时,并不能确定它的组成,甚至磁矩的概念也是刚刚提出。新发现的粒子对当时有限的亚原子粒子家族来说,是一个难以解释的现象,这引出了物理学家伊西多尔·艾萨克·拉比(Isidor Isaac Rabi)的一句名言:“想想µ子,有人点过这道菜吗?”随后几十年间,传统认知外的粒子泛滥成灾,µ子的确是更大粒子集合的一部分,但历史的进程仍没能解开拉比的困惑:事实证明µ子的确可能有些奇怪。

1968年,当时欧洲核子中心的实验物理学家得到了精度为265 ppm的结果,与当时的理论计算存在 1.7σ 的差距。从概率上讲,这种情况出自偶然的可能性约为9%。但经过仔细检查后,发现偏差出现的原因是当时理论计算出了问题,修复错误后,理论和实验结果吻合得很好。

2001年,纽约厄普顿布鲁克黑文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的E821实验达到了1.3 ppm的精度,发现μ子磁矩可能偏离了理论。就算它有3.3σ的置信度,也不足以让物理学家确信存在反常磁矩。就算根本没有新物理的存在,科学家也有千分之一的可能看到这样大的偏差(置信度为5σ时,这个概率是350万分之一。)虽然结果达不到5σ,但2001年的这个结果也足够激起研究者对未来实验的兴趣。

经过多年的实验,物理学家终于将置信度提高到了4.2σ。虽然研究人员还不能声称取得了新发现,但这已经是人类距离新物理最近的一次。而就在上周,大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)也可能发现了轻子味普适性(lepton flavour universality,LFU)破缺存在的证据。虽然置信度只有3.1σ,但同样暗示新物理存在于µ子。对标准模型接踵而至的挑战正在挑逗着粒子物理学家敏感的神经。

移动的µ子

大多物理实验都重复使用部件。比如,大型强子对撞机所处的地下隧道,以前是为它的前身——大型电子正电子对撞机(Large Electron-Positron Collider)所设计。缪子g-2背后的实验物理学家则更进一步,与其在原地建立新的磁铁,他们反而将这个15米的环状磁铁从布鲁克黑文水运到它在费米实验室的新家,行程足足5000多公里。

磁铁在缪子g-2实验中占据中心位置。一束正π介子——由一个上夸克和一个下反夸克组成的轻量级粒子——衰变成µ子和µ子中微子。µ子被收集引导到磁铁周围的圆形轨道上,在衰变成正电子之前,他们最多会绕几千圈。通过探测µ子衰变的方向,物理学家能提取粒子如何和磁铁相互作用的信息。

这个过程是如何运作的?可以将µ子想象成一个微型模拟时钟,当粒子环绕磁铁时,它的时针以理论预测的速率转动着。走到尽头时,µ子会衰变成一个正电子,并将其辐射向时针所指的方向。但如果时针以和理论预测不同的速率旋转,例如稍快一些,衰变出的正电子会指向稍微不同的方向。(在这个类比中,时针对应µ子的自旋,一个决定µ子衰变方向的量子属性。)检测到足够的偏差正电子,就能测到一个反常现象。

反常现象意味着什么仍不为人所知。可能是标准模型没说明的事物,也可能是电子和µ子之间的差异,或者是存在电子太小现在无法察觉到的现象。粒子的质量和它能和多重的未知粒子相互作用相关,所以对质量是电子200倍的µ子来说,它要敏感得多。

缪子g-2实验从2017年的首次运行开始收集数据,但直到现在结果才出炉,因为处理这些信息是一项艰巨的任务。单独来看,缪子g-2的实验值并不能告诉我们什么。它必须和最新的理论预测进行比较才能有意义,而后者本身就是130名物理学家的工作。

需要这么多脑力是因为当µ子在空间中穿行时,空间并非空无一物。相反,无数虚粒子在其中形成了翻滚响动的浓汤,这些粒子不断的凭空出现又突然消失。µ子有微小的概率会和这些粒子相互作用,这会影响µ子的行为。计算这些虚粒子对µ子自旋的影响,需要一系列艰巨的理论计算,并达到相同的精确度。

所有这些都意味着,对µ子的理论预测本身,都存在不确定性,而理论家一直在尝试缩小不确定性。一种方法是通过晶格量子色动力学(QCD),依靠海量计算能力来计算虚粒子对µ子产生的影响。根据伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家艾达·埃尔-卡德拉(Aida El-Khadra)的说法,大约6组研究者都在紧追这个问题。

《自然》上发表的一篇论文表示,此次出现的偏差,也有可能根本不是什么新物理,而是理论计算出现了偏差。之前的理论预测依赖于正负电子湮灭成强子的碰撞截面的测量结果,这样的理论预测的确也可能存在和实际的偏差。偏差可能能用领头阶的强子真空极化(leading-order hadronic vacuum polarization,LO-HVP)来解释。也就是说,这次的情况完全可能像1968年那样,实验没有问题,是通过现有理论进行的理论预测出现了问题。

剥茧抽丝

不过即便如此,也挡不住物理学家的热情。接下来的几天和几周内,一连串的理论论文会试图赋予结果更多意义。引入Z玻色子和轻子夸克一类新粒子的模型将会按照新信息进行更新。同时一些物理学家会猜测,µ子反常自旋到底可能意味着什么,进一步降低不确定度,将结果推到5σ以上的努力也仍在继续。

根据研究人员的说法,缪子g-2实验第二和第三次运行的数据预计将会在18个月内公布,这些数据可能将置信度推过5σ的阈值,也可能降低其置信度。另外,日本东京物理实验室J-PARC(日本质子加速器研究综合体)的研究人员可能会有自己的答案。他们计划用一种略微不同的方式测量独立验证缪子g-2实验的结果。同时,理论学家会继续完善他们的预测,减少他们测量的不确定度。

然而,即使是所有这些努力都证实是新物理在µ子中起作用,物理学家也不能解释新物理是什么。揭示新物理本质所需的工具可能是新的对撞机——这正是许多物理学家在提案中一直呼吁的国际线性对撞机和高亮度LHC。过去的几个月,人们对µ子对撞机的兴趣激增,多篇论文预测,这将保证物理学家能够确定影响μ子的未知粒子或力的性质。

即使是那些对新结果置信度存在怀疑的人,也忍不住找到了一些希望。意大利帕多瓦大学的实验物理学家托马索·多里戈(Tommaso Dorigo)说:“这对粒子物理来说是件好事,因为粒子物理已经消亡了一段时间。”

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