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美實驗室引爆物理大地震!新發現超人類理解範圍

當地時間4月7日,美國費米實驗室發表了一個非常重要的首批實驗結果:他們發現,一種叫繆子(muon)的基本粒子在磁場中表現出來的行為與目前基本粒子標準模型預言的結果有所差別,這一下子戳到了物理學家的興奮點!因為這預示着很可能存在超出標準模型的新物理,該結果發表在了國際著名物理期刊《Physical Review Letters》上。

超出標準模型有什麼重要的嗎?當然重要!暗物質、暗能量以及如何把萬有引力納入量子力學的框架可能都需要突破標準模型。如果這個發現進一步確認,那麼這意味着人類幾乎止步不前的基礎物理又向前邁進了一大步,也預示着打開了一扇新的窗口,說不定能發現一個全新的物理世界呢。

值得一提的是,目前這個發現的精度為4.2個標準方差,意味着出錯的可能性大約為四萬分之一!這還不夠,在物理學上,一個斬釘截鐵的發現要求精度達到5個標準方差以上。但目前這個階段性成果已足夠令人興奮了,仿佛是正在經歷慢慢長夜的人們看到了黎明前的曙光。

圖註:繆子儲存環

據悉,費米實驗室的第二期和第三期數據正在分析中。與此同時,新實驗還在進行第四期的取數,接下來還會有第五期的運行。未來,通過分析全部五期的數據,物理學家們能夠得到更加精確的測量結果,從而對新物理的尋找更加充滿信心。

什麼是基本粒子的標準模型?什麼是繆子?

我們大家都熟悉化學元素周期表,周期表包含了迄今組成我們世界的元素種類。從人體到高樓大廈,從高山河流到日月星辰都可分解為已知的元素。

物理學中的基本粒子標準模型更下探一步,指出不同元素及其同位素只不過是由原子核中質子數和中子數的不同造成的,而中子和質子則由更小的稱為「夸克」的基本粒子組成。

總體來講,我們日常接觸到的物質不外乎由上夸克、下夸克和電子組成。從最基本的層面看,你和美女沒有差別,都是由夸克和電子組成的。當然,從宏觀層面看,人與人之間當然是不同的,世界上不存在完全相同的兩片樹葉嘛。

圖註:基本粒子標準模型

那麼,世界上有幾種夸克?有幾種電子?除了夸克和電子外,還有什麼基本粒子呢?物理學家通過分析來自宇宙的高能射線以及在加速器上產生的各種奇奇怪怪的粒子,最終梳理出一個非常整齊的基本粒子標準模型。

該模型包含了6種夸克:上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、頂夸克以及底夸克,除了上夸克和下夸克能穩定存在外,其他的夸克產生後很快就衰變掉了,不參與組成我們的世界。

該模型還包含6種輕子:電子、電子型中微子、繆子、繆子型中微子、陶子和陶子型中微子。

除此之外,還包含傳遞電磁相互作用的光子、傳遞弱相互作用的中間玻色子以及傳遞強相互作用的膠子。最後還包含2012年才發現的希格斯玻色子,就是媒體上通常稱謂的「上帝粒子」。

因此,繆子是標準模型中的一個粒子,其行為和電子類似,同樣帶一個單位的電荷和相同的自旋,只是比電子「更胖」,質量是電子的207倍,可以形象地看作「胖電子」。

數據反常具體表現在哪裏?

由於基本粒子物理離我們生活有點遠,其中牽扯到較多的陌生概念,我試着用一種不太嚴謹的定性語言來描述一下。

用日常生活的語言來講,基本粒子就像電影《盜夢空間》中的小陀螺一樣,永不停歇地旋轉。我們拿電子為例,它的自旋會產生一個對應的磁場,磁場有南北極,因此就有一個磁矩。如果用經典物理來計算,磁矩與角動量的比值是一個常數,不妨記作K。但電子是微觀粒子,遵循量子力學定律,用量子力學的計算表明,這個常數為2K。也就是說,量子計算和經典計算之間相差一個為2的因子,物理上稱為g因子。但用更嚴格的量子場論計算表明,g因子並不嚴格等於2,而是2.002319304362,實驗測定值為2.002319304361,兩者在小數點後11位都相等,精度令人髮指。

對於比電子「胖」的繆子來講,g因子的理論值與實驗值符合得也這麼好嗎?非也!最近的測量表明:繆子g因子為2.00233184122(82),而理論值為2.00233183620(86)。理論值與實驗值在小數點後7位就開始出現差異了。

理論是同一個理論,為什麼用來處理電子能夠如此好用,用來處理繆子就相對不太好用了呢?因為繆子更重。

在量子場論看來,真空並不是真的空無一物,而是充滿了不斷產生和湮滅的虛粒子,這些虛粒子與電子相互作用,導致了g因子與2的偏離。由於繆子比電子質量更大,它與真空中的虛粒子作用的方式也會不同,容易感受到電子很難感受到的虛粒子種類。

超出標準模型的新物理會是什麼?

如果最終完全確定了這個實驗與理論的偏差,那麼我們會發現什麼新物理呢?這個問題目前尚無定論,可能是一種新粒子,甚至是一種傳遞全新相互作用的粒子,那麼這種相互作用是完全獨立於引力、電磁、強力和弱力這四大相互作用的相互作用,或者說是第五種力。如果最終真的是這樣,那麼這個結果將是世紀大發現。

人類已知的四種基本相互作用(力),分別為:使蘋果下落的萬有引力,讓磁鐵吸引鐵釘的電磁力,約束原子核的強力以及讓粒子發生衰變的弱力。

另外,這個新發現還可以為我們解開暗物質和暗能量的謎團提供新思路。

因此,繆子g因子的理論值與實驗值的偏差打開了人類窺視新物理的窗口,這是幾十年來物理學家夢寐以求的事情。讓我們期待實驗結果精度的進一步提高,來一起見證基礎物理的新突破。

責任編輯: 夏雨荷   來源:科技新聞 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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