顛覆近 50 年來的物理理論?科學家發現未知粒子的存在證據:g 因子偏差

Standard Model

【為什麼我們要挑選這篇文章】粒子物理標準模型是物理學的基礎,然而近日的新研究,疑似發現一種未知粒子,若確認為真,將顛覆這個模型,更新人類的宇宙觀。(責任編輯:郭家宏)

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作者:量子位

8 日發生了一件轟動物理學界的大事件。

美國費米實驗室最新的實驗結果,可能顛覆我們 50 年來都奉為圭臬的粒子物理標準模型。

Meon g-2 實驗裝置(圖片來源:費米實驗室)

標準模型是解釋夸克、電子等微觀粒子的物理模型,在微觀領域取得了巨大的成功。10 年前人們發現希格斯玻色子,至此標準模型預言的所有粒子都被發現。

但費米實驗室的實驗結果指出,世界上可能還有標準模型未能預言的粒子。這篇研究論文今天發表在頂級期刊《物理評論快報》上。

實驗發現,μ 子的磁性超出了理論預測,雖然只相差 0.1%,但卻難以用標準模型解釋。

μ 子可以說是電子的「表哥」,它和電子的帶電量一致,卻比電子重 207 倍。透過測量表示 μ 子磁性的 g 因子,物理學家可能發現了背後隱藏的未知粒子。

g 因子:真實磁矩與古典電磁學理論值的比例

像電子和 μ 子這樣的粒子不僅帶電,還具有磁場,就像一個「小磁針」。

要解釋這種現象,我們可以把它們看成是高速旋轉的小球,電荷轉動就會產生磁場。

我們還可以根據這種模型,用古典電磁理論算出電子或者 μ 子的磁矩。

不過,微觀粒子的「自旋」(spin)並不能簡單地看成是自轉,粒子的真實磁矩,和古典物理方法算出的磁矩會相差一個倍數,這就是 g 因子。

如果微觀粒子符合古典模型,那麼 g 因子就等於 1,然而實際上 g 因子一般都不等於 1,因為自旋是一種量子力學才能描述的行為。

對於電子和 μ 子來說,g 因子約等於 2。因為它們的自旋都是 1/2,相當於一個物體旋轉 2 圈才能和自己重合。

但是它們的 g 因子又不完全等於 2,至於為什麼,我們接下來再說。

為什麼 g 因子不等於 2?這要用量子電動力學解釋

1947 年,實驗發現電子的 g 因子約為 2.00232。

要解釋這一結果,必須要使用量子電動力學(QED)。和過去的量子力學不同,QED 並不認為真空空無一物,會無時無刻產生和消失虛粒子,產生量子波動。

物理學家施溫格隨後在論文中解釋 g 因子不等於 2 的原因:因為電子在真空中會發射出光子,隨後又吸收,從而改變了電子的磁場。

μ 子亦是如此。

μ 子產生虛光子,改變了磁矩(圖片來源:Quanta Magazine)

量子波動越少,對電子或 μ 子的 g 因子的影響就越小。

產生虛光子只是一種改變磁矩的方式,電子或 μ 子也可能產生其他的重粒子,只不過機率要小得多。

而 μ 子比電子重 207 倍,產生重粒子的機率更大,量子波動更大,對 g 因子的影響也更大。

電子的 g 因子大約是 2.002319,μ 子大約是 2.002332。當然,這些測量值在實驗誤差範圍內都符合 QED 的預測。

數十年來,理論物理學家一直在努力精確計算 g 因子,另一方面實驗物理學家也在不斷提高精度測量 g 因子。

一旦二者出現了超出預期而又無法解釋的偏差,那麼可能意味著,與 μ 子相互作用的粒子中有我們所未知的。它可能是暗物質粒子,也可能是超對稱理論預言的粒子。

μ 子的 g 因子與 2 的差值是其中的關鍵,因此這類實驗被叫做 Muon g-2。

科學家測量 μ 子的 g 因子,結果與量子電動力學的理論值偏差

第一個 Muon g-2 實驗是歐洲核子研究中心在 1959 年做的,結果符合量子電動力學。

美國布魯克海文實驗室之後進行了多次測量。

2006 年,物理學家發現 μ 子磁矩的測量值和理論值差距達到了 3.7σ,但仍然很難否認是實驗誤差導致的結果。

此後,費米實驗室接過了 Muon g-2 實驗,由於經費限制,他們不得不使用布魯克海文實驗室的磁鐵,這是一個直徑 15 米的超導磁環。

由於體積巨大, 這顆核心實驗裝置先被裝船經過海運、河運,最後轉移到專門設計的卡車上,才運達目的地。

實驗用到的巨大超導磁環(圖片來源:美國費米實驗室)

物理學家先撞擊質子來製造大量的 μ 子,然後將 μ 子注入到磁環中。

雖然 μ 子的壽命極短,只有幾微秒,但是它的速度非常接近光速,可以在磁環中運轉上百圈,已經足夠完成測量。

磁場中的 μ 子就像在地面上轉軸傾斜的陀螺,自轉軸高速地改變著方向(物理學中稱之為「進動」)。

μ 子每在磁環中旋轉一圈,其自轉軸就偏轉大約 12 度。

實驗裝置原理(圖片來源:Quanta Magazine)

物理學家要做的就是精確測量磁環內的磁場強度,以及 μ 子自轉軸的偏轉速度。通過這兩個數值就能計算出 μ 子的磁矩,從而得到 g 因子。

實驗結果的計算量非常之大,需要歐洲多個超級計算機中心花費數億個 CPU 小時,才能完成數據處理。

用於計算 μ 子磁矩的 7 台超級電腦之一(圖片來源:德國尤利希研究中心)

最終,物理學家得到 μ 子的 g 因子為 2.00233183908,與量子電動力學理論值的偏差為 4.2σ。

這意味著,由統計偏差導致結果異常的機率不超過 0.0013%。

粒子物理標準模型即將改寫?

現在的發現僅僅是初步結果,物理學家只分析了其中一部分數據,他們還需要一兩年才能完成對所有數據結果的分析。

如果實驗結果確實成立,那麼將顛覆粒子物理學的標準模型,我們必須改寫標準模型,引入新的粒子。

也有物理學家對此持懷疑態度。還記得 2011 年那一個超光速的實驗發現嗎,當科學家以為顛覆了相對論,結果卻是實驗電纜沒有插牢。

來自 CERN 的科學家 Andreas Crivellin 表示:「數據或數據的解釋方式可能會誤導人。」他正在與另一位學者合寫一篇論文來解釋該結果。

「就算最終結果沒有改變什麼,那麼看到理論和實驗保持一致也令人興奮。」賓州州立大學物理學教授 Zoltan Fodor 如是說。

參考連結

Quanta Magazine》、《Nature》、《PhysOrg

(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈粒子物理标准模型错了?电子“表哥”磁性超出理论预计,物理学家找到未知粒子存在证据 〉。首圖來源:Pixabay CC Licensed

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