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发布时间:2021-04-17 06:12:45

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  反常的缪子:新物理是否到来?

  中国新闻周刊记者/霍思伊

  发于2021.4.19总第992期《中国新闻周刊》

  这是一场跨越5000多公里的漫长又小心翼翼的旅行——6月24日,从纽约长岛出发,先是沿着美国东海岸向南到达佛罗里达的顶角,然后进入墨西哥湾,这就花了一个月,然后沿着田纳西-汤比格比水路向上进入密西西比河,伊利诺伊河和德斯普兰斯河,在7月20日到达伊利诺伊州的港口。一辆经过特殊改造过的卡车已经等候在码头,7月26日凌晨4时7分,在美国费米国家加速器实验室门前的草坪上,3000人举起了手,欢迎“它”的到来。

  它是一个重700吨、宽约15米的巨大超导磁环,在2013年夏天,以“尽可能保持精度”的独特方式从纽约的布鲁克海文国家实验室运输到费米。经过一连串复杂的调试后,这套设备于2018年开始正式运行。费米特有的强大加速器源源不断地为磁环注入一种特殊的粒子——缪子(μ子),就像电子一样,它在磁环中进行着一种近似地球围绕太阳的运动,既自转又公转,不过自转的方向不断偏离,直到衰变出一个电子——而它,有可能成为解码人类和宇宙奥秘的钥匙,并暗示着“新物理”的到来。

  2021年4月7日,费米国家加速器实验室(简称费米实验室)宣布,缪子反常磁矩实验的一期数据分析显示,缪子在绕磁环运动时有一个较大的摇摆幅度,和标准模型计算出的预测情况不符。

  这引发了物理学界的震荡。在4月7日的发布会上,费米实验室缪子反常磁矩实验的负责人克里斯·波莉说,发生这种偏差一定是出了什么问题,可能有一些隐藏的东西在发挥作用。它们是什么?可能是一种新粒子或第五种作用力,也可能缪子内部还有更深入的结构。

  这些猜测全部令人非常兴奋,因为它们都指向了一种超出标准模型之外的新物理。

  极小的偏差

  标准模型是人类目前能找到的最精确的对微观世界的解释,是整个粒子物理学的根基,描述了构建宇宙的基本粒子和相互作用。科学家认为,世界是由17种基本粒子构成,缪子是其中一种。它是电子的表亲,质量是电子的207倍,可以简单理解成“更胖的电子”,除此以外其他性质都相同:都带一个单位电荷(正或负),自旋为1/2,也就是转两圈后,会回到初始状态。

  1936年,物理学家在宇宙射线中发现了缪子的存在。当太阳抛射出来的高能质子进入地球时,与外层大气发生碰撞,产生了缪子,它以光速冲向地面,穿透力很强,可以深入2700米的岩层之下。

  从发现以来,缪子一直有一些无法解释的奇怪现象,比如磁矩的偏差。缪子会像陀螺一样自转,在这个过程中自身会产生磁场,磁矩就反映磁场的量度。理论物理学家认为,无论电子还是缪子,将磁矩进行某种固定的除法运算后会得到一个常数比值,也就是g因子,按照标准模型,g应该是2.00231930436……可以一直精确到小数点后11位,但实验中发现,缪子的g因子总会和理论预测值产生一定偏差,g-2反映的就是这个偏差。这种磁矩上出现的反常,就是缪子反常磁矩问题。

  这种偏差其实很微小,要一直读到小数点后七位才会发现,但在微观粒子世界,任何预测之外极小的变化背后,都可能隐藏着足以震荡整个物理学界的发现。缪子磁矩反常之所以如此重要,是因为一旦确认,就足以打破久经检验的标准模型。粒子物理学在20世纪70年代建立了集大成的标准模型理论之后,此后任何发现都没有超出这个模型。无论是通过大型强子对撞机(LHC)等加速器,还是在一些用于寻找暗物质的探测实验中,所有模型之外的探索都失败了。

  但物理学家们相信,标准模型远远不是完美的,在模型之外,一定存在着另一个更广大的、未知的世界。标准模型属于量子场论,只囊括了三种基本作用力:电磁力、强相互作用力与弱相互作用力,但没有描述到让苹果掉到牛顿头上的引力。而在量子力学诞生之前,人们理解这个世界的核心就是引力。另一方面,标准模型也无法解释暗物质的存在。我们看到的每一件事物都是与光发生了相互作用,但这些物质的能量只占宇宙中总能量的4%,更广袤的宇宙是黑暗的,由暗物质组成,它们既不吸收光,也不发射光,人类目前还没有发现任何一个暗物质粒子。

  为了解释这些现象,物理学家试图开拓“新物理”的疆域,寻找标准模型之外的物理。有一些迹象表明了新物理的存在,其中一个是1998年发现的中微子振荡,另一种就是缪子的磁矩反常。

  在研究缪子的过程中,一开始,人们并不觉得是理论出了问题,而认为是计算不够精确,比如,没有考虑到量子涨落。上海交通大学粒子物理教授李亮是此次实验的核心参与人员之一。他对《中国新闻周刊》解释,真空不是空的,时空像泡沫一样,有大量的虚拟粒子存在,它们会在某个瞬间突然出现,又突然消失,因为难以捕捉,所以是虚的,这就是量子涨落,这又会对缪子的磁场产生干扰。基于此,实验人员对计算进行了修正,最开始是一阶修正,只考虑光子的干扰,此后还有二阶修正、三阶修正,也就是排除更多粒子的干扰,如W、Z玻色子,希格斯玻色子等。

  但科学家们很快发现,即使排除了这些干扰,实验测出的缪子磁矩仍然存在反常。从1930年代起,不同的实验结果相继印证了这种反常,但受限于精度问题,人们对自己的发现并不自信,直到美国布鲁克海文国家实验室在2006年相对明确地提出了这个现象。而费米实验室的发现在布鲁克海文的基础上更进一步,不仅提高了测量精度,一期数据的分析结果也将结论的“有效性”提高到了4.2σ,这是在统计学上的意义,也就是4.2倍标准方差。

  李亮指出,这是一个非常有力的证据,4.2σ,就是出现统计误差的概率只有四万分之一,换句话说,这个发现有99.99%的概率是正确的。但科学界更严谨,按规定,只有标准方差达到5σ,才称得上是一个“发现”,也就是保证实验只有350万分之一的概率出错。但目前这只是一期结果,分析的是2018年的运行数据,还有2019、2020年的二期、三期数据,其数据量将会是一期的7倍,最快将于一年后公布。“我有充分的信心,之后两期的数据分析出来后,会有很大的概率达到5σ,这意味着,不是由于计算问题,也不是由于测量精度不够,在进行各种高阶修正之后,缪子的磁矩和标准模型的预测值仍存在一点点偏差。”他说。

  新物理是否到来?

  在费米实验室,跨越了5100多公里的巨型超导铁磁环在撤去了专为运输设计的红白金属罩后,露出了里面的蓝色超导线圈。这些线圈可以产生1.45特斯拉的磁场,约为地球磁场的30000倍。实验室的超强质子加速器以平均每秒11.4次的频率将10~12个质子组成的质子束团不断加速、衰变生成3.094GeV能量的缪子束团。缪子束团被射入铁磁环后,开始以接近光速的速率一圈又一圈地运动,在绕了几千圈后,每个缪子会衰变出一个电子,这些电子被探测器检测出来。实验人员通过提取电子的信息,可以得到衰变前缪子的磁矩。在这个过程中,缪子像一个自身不停旋转的陀螺,自转轴不断偏离最初的方向。陀螺歪了。

  这是一个非常优美而简洁的实验,也是一个很经典的实验原理。从1960年代起,不同实验室在测量缪子反常磁矩时都是采取这个方案。李亮指出,费米实验室在进行实验时,实验原理与布鲁克海文相同,但在精度上作了很大改进。费米实验室可以输出美国强度最大的缪子源,其缪子束流强度是布鲁克海文实验的10倍,最终的数据量会达到布鲁克海文的20倍。而且,之所以采用已有的磁环,是因为在这个实验中,磁场的均匀非常关键。如果再造一个新的,其均匀程度不会像已经使用过的电磁环这么完善,还要花大量时间重新校准。

  李亮还表示,探测器的灵敏度尤为重要,费米实验的探测器是全新的,采用了一种会发光的氟化铅晶体,它的生产线就在中国,由中科院上海硅酸盐研究所和上海交大联合研发。一方面,氟化铅晶体的响应时间非常快,可以在短时间内做多次测量,其次是精度很高,且可以更好地减少对磁场的干扰。

  多年来,测量精度不够高,一直是物理学界对自己的发现不自信的主要原因之一。由测量带来的误差包含统计误差和系统误差两种,布鲁克海文实验的系统误差是0.28ppm(千万分之二点八),费米实验室通过改进硬件和技术,将这个误差降低到了0.16ppm,这是一个很大的跃迁。而在统计误差上,布鲁克海文是0.46ppm, 费米是0.43ppm。

  在如此高精度的背景下,得出了一个非常有希望的发现以后,现在,人们要思考的是,陀螺为什么歪了?

  在李亮看来,目前学界有两种主要的猜测。一种是出现了标准模型之外的新的基本粒子。对此很容易理解,因为当缪子在电磁环中没有按照预定轨迹运动时,一定有一个外界力量干扰,这可能是一些人类现在还无法观测到的全新粒子,由于和这些粒子发生了相互作用,使缪子的轨迹出现了偏差。所以接下来就要回答,这个新粒子从哪来的?它有什么性质?它和标准模型基本粒子的关系是什么?

  第二种可能性是,缪子不再是不可分的点粒子,内部还有微观结构,这些内部粒子可能在一定条件下发生相互作用,从而在整体上影响了缪子的磁矩。

  中科院院士、中科院高能物理所所长王贻芳对《中国新闻周刊》指出,现在谈这些还为时尚早,首先,费米实验最后的4.2σ是在综合了布鲁克海文实验的数据后得出的。如果单看费米一个实验的结果,得出的标准方差是 3.3σ, 比布鲁克海文当年的数据3.7σ还要小,目前还不确定之后的结果会让这个数字变得更大,还是更小了。在过去的粒子物理历史中有很多例子,原本的统计数字是3点多,后来却下降了。即使到了5,也要检验这个数字是否足够精确。

  王贻芳还表示,除了这种不确定性以外,也无法排除是否可能理论计算出现了误差,才造成目前的结果。而且,理论计算在相当大的程度上也利用了一些此前已有的实验数据,实验数据本身也需要再检查。

  在这个实验中,最关键的环节是把实验数据和理论计算数据进行对比,理论计算是依据标准模型来预测,但由于缪子的不稳定性,在计算时有较大的不确定性,在1968年就发生过类似的事情。当时,欧洲核子中心的实验物理学家得出一个和理论计算存在1.7σ差距的结果,后来发现出现偏差是理论计算出了问题,修复错误后,理论和实验结果吻合得很好。2016年,来自全球82个机构的132名顶级理论物理学家组成了联盟,分成不同组独立进行计算,最终达成共识,理论预测出来的g是2.0023318362。费米实验室的测量结果就是和这个数字进行比较。

  李亮指出,在缪子和周围虚粒子发生作用而带来的各种变化中,计算不确定性的一个主要因素是强子真空极化效应,虽然这只有很小的概率发生。当缪子在传播时,可能会瞬间发射出一个光子,光子会衰变成强子和反强子,强子和反强子又迅速变回光子,然后再被缪子重新吸收。这个过程被称为强子真空极化。这个现象很难进入标准模型的计算中,因为强子不是孤立出现,数量很多,像粒子云一样,这中间发生的各种作用很难准确预测。

  但如果经过检验之后,最后证明这个反常确实存在,王贻芳说:“这将是我们第一次非常明确地看到超出标准模型的实验现象。”

  不过,上海交通大学粒子与核物理研究所副所长刘江来也对《中国新闻周刊》强调,即使真的可能存在新粒子,这种新粒子到底是什么,按现有的各种模型会有非常多的可能,比如超对称模型,暗物质模型等,物理学界要先确定哪一种模型更接近真实,有一个方向后,再通过对撞机去寻找新粒子。

  “费米实验只给出了间接证据,确定新粒子或第五种作用力,要有更直接的观测证据。这不会是一个很快的过程,可能还要走很远。但毫无疑问,这会让新物理向前推进一大步,也会拓宽原本的标准模型,接下来,理论物理学家们会很兴奋。”刘江来说道。

  《中国新闻周刊》2021年第14期

  声明:刊用《中国新闻周刊》稿件务经书面授权

【编辑:陈海峰】

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