一個反常的基本粒子:尋找超越標準模型的物理學
2021年04月12日10:30

  來源:原理

  現代物理學充滿了曲折離奇的故事,物理學家常常必須從看似毫不相關或微不足道的信息中,小心翼翼地抽絲剝繭才能分離出重要線索。在這個過程中,物理學家就像偵探一樣,從大量數據中精確地捕捉到那些極易被忽視的證據,再推理得出重大發現。在費米實驗室(Fermilab)進行的一項實驗——μ子g-2實驗,就正在上演著這樣一幕。

  這項新的研究與隱藏在標準模型中的基本粒子——μ子身上的磁性奧秘有關。我們知道,所有旋轉著的帶電物體都能夠產生磁場,比如電子和μ子。一個粒子的磁場強度被稱為磁矩,或者說g因子。在上世紀20年代,光譜學實驗就揭示了電子具有固有的自旋和磁矩。當時的測量結果表明,電子的磁矩g的值為2。

  粒子物理學標準模型描述了基本粒子和它們之間的相互作用。更多關於標準模型的信息,可閱讀《這個理論是科學史上的奇蹟》。

  1928年,物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)結合量子力學和狹義相對論提出了一個著名方程——狄拉克方程,準確描述了電子和所有其他具有相同自旋量子數的粒子的運動和電磁相互作用。根據狄拉克方程的預測,g因子等於2——與當時的測量結果一致。

  然而到了上世紀40年代,隨著實驗變得更加精確,物理學家開始意識到電子具有一部分狄拉克方程所未能涵蓋的額外磁性,這種額外的磁性被表述為“g-2”,被稱為反常磁矩。當時的物理學家不知道這種反常磁矩是如何產生的。

  很快,物理學家朱利安·施溫格(Julian Schwinger)在1947年就用電子可以發射再重新吸收一個虛光子的說法解釋了這一異常現象。虛光子的短暫出現能使電子的內部磁性略微提高0.1%——這個足以彌補理論預測值與實驗測量結果的差異。然而,問題在於光子並不是導致這種輕微差異的唯一原因。物理學家後來發現,擾亂了電子的磁性的,實則是由各種虛粒子構成的網絡,反常磁矩是那些虛粒子對電子產生的綜合影響,標準模型中的每個粒子和每種力都參與了其中,只是有的更容易發生,或者更強,因此對差異的“貢獻”更大。

  用於描述這些虛粒子的理論模型已經非常成功地描述了電子的磁性。對於電子的g-2,理論計算結果與實驗值非常接近。這樣的情況讓物理學家認為,他們已經成功地找到了導致反常磁矩的原因。然而,μ子的g-2實驗卻告訴我們,事實似乎並非如此。

  當宇宙射線撞擊地球大氣層時,μ子就會自然產生,地球上的一些大型粒子加速器也可以大量產生μ子。和電子一樣,μ子的行為也像是擁有一個微小的內部磁鐵,它的質量是電子的207倍,對新型的虛粒子特別敏感。早期對μ子的反常磁矩進行的測量結果與理論預測是一致的。這使得物理學家曾相信,影響了電子磁性的虛粒子也對μ子的磁性造成了相同的影響。

  但到了2001年,布魯克海文國家實驗室的μ子g-2實驗出現了奇怪的現象。當時,實驗的目的在於進一步提高測量結果的精確度,並觀察四種基本力之一的弱力對反常磁矩的影響。雖然實驗結果成功地將誤差縮小到百萬分之0.5,但同時發現在新的測量值和理論值之間存在一個小於百萬分之三的微小差異,而物理學家無法用標準模型中的任何東西來解釋這種差異。

  如此微小的差異,是微不足道的巧合,還是一個能帶領我們通向新物理學的重要線索?費米實驗室的μ子g-2實驗實際上是布魯克海文國家實驗室的μ子g-2實驗的續作,目的是對這種差異進行重新檢驗。

  4月7日,費米實驗室的研究人員公佈了μ子g-2實驗的結果,宣告他們以前所未有的精確度,得到了與布魯克海文國家實驗室的μ子g-2實驗完全一致的結果。這個迄今為止最精確的測量結果,證實了標準模型並不足以解釋所發生的一切,它無法完美地預測μ子的行為。

  在新的μ子g-2實驗中,來自加速器的質子會撞擊到一個目標,產生π介子,其中一些介子會衰變成μ子。

  圖片素材來源:g-2實驗

  π介子繞著一個周長為505米的環運動,直到幾乎所有的π介子都衰變成μ子。

  圖片素材來源:Nature

  接著,自旋指向相同方向的μ子束被送入一個直徑約為15米的超導磁存儲環中,在那裡,μ子以接近光速的速度在磁鐵中循環數千次。在循環時,μ子的自旋軸會以一種與它們的磁矩有關的方式發生傾斜,如果存在反常磁矩,那麼μ子在自旋的過程中就會出現輕微的擺動。

  圖片素材來源:g-2實驗/quantamagazine

  每循環一圈,μ子的自旋軸就會改變12°。在存儲環循環多次之後,μ子會自發衰變成一個電子和兩個中微子,而μ子衰變所產生的電子,會傾向於沿著μ子自旋所指的方向發射。通過利用存儲環上的探測器記錄下這些電子的數量和能量,就能計算出μ子自旋的傾斜程度;而通過將μ子的自旋方向和環內磁場的精確測量相結合,就可以揭示由虛粒子的相互作用引起的μ子的反常磁矩。

  新的μ子g-2實驗於4月7日所公佈的最新測量結果與布魯克海文所測結果一致,兩次實驗對反常磁矩的平均測量值為0.00116592061(41);與之相比,根據標準模型預測的反常磁矩為0.00116591810(43)。這些結果的顯著性差異為4.2σ,它意味著這樣的結果是有統計波動導致的幾率約為四萬分之一。雖然這略低於科學家在宣佈一項新發現時所要求的5σ,但已經是十分令人振奮和信服的新物理學證據。

  圖片素材來源:B.ABIETAL/PRL2021

  新的μ子g-2實驗於2018年首次運行,在運行的第一年就收集到了比之前所有μ子的g因子實驗所收集的數據總和都多的數據。全世界各地的科學家共同完成了首次運行中所產生的80多億μ子運動的分析。而這個數據量僅是該實驗最終將收集到的不到6%的數據。

  現在,研究人員正在分析實驗的第二和第三次運行的數據,第四次運行正在進行中,第五次運行計劃中。相信當科學家收集到所有五次實驗數據後,將會揭示出更多令人驚訝的信息。這些對μ子磁性的測量是一項了不起的成就,它或將指導我們在未來幾年尋找超越標準模型的物理學。

  4月7日,μ子g-2實驗的聯合發言人Graziano Venanzoni說:“今天是非同尋常的一天,不僅是我們,整個國際物理界都在期待著。大量的功勞都歸於我們年輕的研究人員,他們的才華、想法和熱情,讓我們取得了令人難以置信的結果。”

  #創作團隊:

  文:二宗主

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