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來無影去無蹤的暗物質終現身?科學家震驚

近日,美國費米國家實驗室公佈了最新繆子(μ子)磁矩的測量結果,這立馬引起了物理學界的廣泛關注,我們對宇宙構成的認知,可能因此而發生變化

費米實驗室中巨大的超導磁鐵存儲環,粒子加速器產生的繆子束流進入儲存環後,探測器即開始記錄其運動狀況| fnal.gov

為什麼這樣說呢?因為追尋構成世界的基本元素,是科學史上最為悠久的問題之一。中國古人有云,一尺之棰,日取其半,萬世不竭。而古希臘哲學家則認識到物質由基本的元素構成,甚至已經提出了"原子"的概念。當然,這些都是古人對於世界最原始的樸素認知,但對於探索宇宙的成分、物質的構成,人類從沒有停止過。

粒子標準模型:一部物理學界的物種百科

經過眾多科學先驅的努力,人們終於認識到,宏觀的物質是由微觀粒子構成的,很多微觀粒子是由更小的粒子構成的,若粒子無法被分解,那麼我們就稱之為基本粒子,這樣的一門學科叫做粒子物理(也叫高能物理)。

一台上世紀60年代的范德格拉夫式靜電場粒子加速器| wikipedia.org

上個世紀是粒子物理的黃金時期,通過研究宇宙射線、建造粒子對撞機等,人們對物質的認知不斷深入。從原子到電子、原子核,從質子中子再到膠子、夸克,人們發現了大量的新粒子,又不斷地分解這些粒子,就像集郵一樣,物理學家們甚至還為粒子的命名權而明爭暗鬥,比如1974年,丁肇中與另一位物理學家伯頓·里克特同時發現了一個新粒子,丁肇中想稱之為"J"粒子,而里克特則選用了希臘字母"ψ",後來科學界乾脆就把這個新粒子叫做"J/ψ"粒子。

丁肇中與里克特,這次新粒子命名之爭也成為現代物理學歷史上一段知名公案|Sandbox Studio, Chicago

除了基本粒子,人們對粒子之間的相互作用力也有了新的發現,除了萬有引力和電磁力外,基本粒子之間還存在弱相互作用力以及強相互作用力。

隨着發現的粒子越來越多,而且五花八門,粒子之間的關係也繁瑣複雜。正如門捷列夫建立元素周期表一樣,人們隱約覺得,如此繁多粒子的背後,也應該有一個相似的"粒子周期表"。在這個思想指導下,標準模型橫空出世!標準模型就像是粒子物理學家的聖經一樣,對微觀世界的研究,都要接受它的指導

如果僅僅能解釋已知的現象,那也難服眾人。2013年,歐洲核子中心的大型強子對撞機發現了一個新粒子,這個粒子完全是標準模型預言的粒子,也就是大名鼎鼎的希格斯粒子。這一戰,標準模型就此封神!

正所謂否極泰來,物極必反。標準模型變得完美的時候,也恰恰是其不完美開始顯現的時候。時間長了,人們也慢慢地發現,標準模型似乎也不是那麼"標準"。比如說,標準模型"規定",基本粒子之一的中微子不能有質量,要以光速在宇宙中穿梭,然後實驗測量發現,中微子耍了一點小滑頭,它以非常接近光速的速度運動,而且有非常小的質量,不仔細看,還真發現不了這一點!這種結果讓人們很不爽,如此完美的標準模型竟然不完美,但人們又無可奈何,只能接受這一點。

有人看到了危機,有人卻能看到機遇!這或許是破舊立新的機會,雖然標準模型還沒多舊。當不可戰勝的神流血之後,就會有越來越多的挑戰者!而這一次費米國家實驗室實驗的內容,是測試繆子磁矩。繆子,也是標準模型中的基本粒子之一,它是我們熟知的另一個基本粒子——電子——的二哥,除了比電子重200多倍,其它沒有什麼區別。

什麼是磁矩呢?大家中學物理課可能學過,作用力促使物體繞着轉動軸或支點轉動的趨向,稱為力矩。那麼繆子的運動模式,是像陀螺一樣飛速繞着中心軸旋轉,這種自轉運動形成了沿着繆子自轉軸排列的磁場。這個圍繞繆子產生的磁場力矩,就被稱為磁矩

費米實驗室的科學家在觀察繆子磁矩的時候,發現一個有趣現象:那就是看似空無一物的真空,實則暗流涌動,風雲四起!一個靜止的繆子,會在周圍的真空中激發出正反粒子對,這些粒子對從真空中湧現,又在瞬間消失的無影無蹤,,如同奇幻電影裏的小精靈,突然出現又突然消失。這些小精靈一樣的神秘粒子,雖然沒法被直接觀察到,但卻對繆子的磁矩產生可觀的影響。

在費米實驗室本次實驗中,繆子身邊出現了無數神秘粒子|| Jorge Cham,physics.aps.org

如果把繆子看作一個小陀螺,那麼它在自轉時,由於磁場的存在,也不是筆直地按照中心軸穩定旋轉,而會出現中心軸"扭來扭去"的現象。也就是說,那些神秘的小精靈一樣的粒子,似乎有一種無法看到的力量,讓這隻小陀螺在自轉中,扭動的"姿勢"和預測中的不一樣。

虛粒子——打開新物理大門的小精靈

其實,在之前的物理學研究中,科學家也注意到了這些神秘的小精靈,由於來無影去無蹤,乾脆就把這些粒子叫做"虛粒子"!著名物理學家施溫格在1947年最先計算了虛粒子對電子的影響,這在當時是巨大的理論進步,以至於他去世之後,墓碑上都鐫刻了這個結果。

雖然有一個"虛"字,但是虛粒子的影響卻是實實在在的。因此理論計算的時候,就要把所有已知的粒子都考慮進去,這是非常繁瑣的事情,虛粒子瞬息萬變,想抓住它並不容易,甚至使用了超級計算機進行計算。然而,迎接理論物理學家的並不是勝利的號角,實驗物理學家經過多年的努力,發現事情並沒有這麼簡單。電子磁矩的理論計算與實驗結果,在小數點後11位還能保持相同,理論與實驗呈現高度的一致性,標準模型不愧為粒子物理學的聖經!這也是物理學中最精確的結果,沒有之一!

然而,當人們把目光轉向繆子的時候,預期的完美結果並沒有出現,理論計算與實驗測量總是差一點點,這一點點的差距在20年前就被發現,經過了20年的努力,這一差距並沒有縮小,反而越發堅固!

與理論不同,實驗測量的是最真實的宇宙,宇宙並不會因為一個粒子不在標準模型里就歧視之,天地不仁,以萬物為芻狗,所有粒子都被一視同仁地參與繆子磁矩。

當實驗結果與理論計算結果不一致時,機遇就再次展現出來!標準模型不完美的呼聲也越來越高了,宇宙中很有可能還有新的沒有被發現的粒子,這些粒子不在標準模型之內,因此理論計算自然沒有包含它們的貢獻,理論與實驗有差距也就很容易理解了。

夜幕降臨,抬頭望向夜空,繁星點點。我們看見的,真的就是整個宇宙嗎?有時候眼睛往往會蒙蔽真相。上個世紀,天文學家的觀測徹底顛覆了人們對於宇宙的認知,普通可見物質只佔到了宇宙總成分的5%!除此之外,宇宙中還有26%的不可見物質,也就是大家常說的暗物質。暗物質是普通物質的五倍還多!當然,還有69%的暗能量,不過那是另外一個故事,此處不予多說。

就像普通物質是由各種基本粒子構成的一樣,人們也自然地相信暗物質也會是由某種基本的粒子構成,那麼構成暗物質的基本粒子到底是什麼呢?探索宇宙的道路不會一帆風順,至少在這一步,人們已經舉步維艱很久了。人們上天入地,想找到暗物質粒子的蹤跡,但是遺憾的是,到目前為止,暗物質粒子的影子都沒有發現

因此,繆子磁矩就像是一針強心劑,人們覺得好像又行了!大家很自然地聯想到暗物質,也會自然地想,這兩者有相同的內在機制。這個結果,給暗物質研究、宇宙構成與演化問題帶來了新的機遇,畢竟暗物質在宇宙中的佔有量是普通可見物質的五倍!

當然,這些聽起來很振奮人心,但是物理學家對於一個結果總是會慎之又慎!實際上,目前的實驗結果並不被認為是一個確定的發現,因為這樣的好結果有可能是因為統計數據不夠,數據誤差過大導致的,這樣的可能,目前有四萬分之一的概率。一般來說,只有這個概率小於千萬分之三,才會認為是真的發現了新的現象!

雖然如此,目前的結果也足夠令人振奮人心。費米實驗室將在未來幾年內繼續測量繆子磁矩,收集更多的數據,相信那時候我們會有一個更堅實的結果。回想彼時,十九世紀初,開爾文勳爵演講中的"兩朵烏雲",直接帶來了相對論與量子力學這兩個重量級的物理學革命,我們對宇宙的認知也發生了翻天覆地的變化!再看此時,或許我們也處於相似的境地,一個小小的繆子,或許就是通向未來新物理的起點也說不定呢

責任編輯: 夏雨荷   來源:果殼網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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