μ子磁性可能暗示物理學標準模型的崩潰
一項備受期待的測量強化了 μ 子行為出乎意料的情況
Muon g-2 實驗(如圖)研究 μ 子如何在巨大的甜甜圈形磁鐵中擺動。 結果與粒子物理學的標準模型不一致,暗示新粒子的存在可能。
費米實驗室
稱為μ子的亞原子粒子的神秘磁性暗示著新的基本粒子可能潛伏著未被發現。
在一項艱苦而精確的實驗中,μ子在磁場中的旋轉似乎違背了粒子物理學標準模型的預測,該模型描述了已知的基本粒子和力。 這結果強化了早期的證據,即電子的重親屬μ子的行為出乎意料。
「這是一件非常重要的事情,」聖路易斯華盛頓大學的理論物理學家布帕爾·德夫說。 “這可能是我們都期待已久的新物理學跡象。”
μ子的不當行為可能表示存在改變μ子磁性的新型粒子。 μ子的行為就像微小的磁鐵,每個磁鐵都有一個北極和南極。 磁體的強度是由瞬態量子粒子調整的,這些粒子不斷地出現和消失,從而以稱為μ子磁異常的量調整μ子的磁性。 物理學家可以透過考慮所有已知粒子的貢獻來預測磁異常的值。 如果有任何基本粒子被隱藏起來,它們對磁異常的額外影響可能會暴露它們。
μ 子和電子具有家族相似性,但 μ 子的質量大約是電子的 200 倍。 這使得μ子對假設的重粒子的影響更加敏感。 伊利諾大學厄巴納-香檳分校的艾達·埃爾-卡德拉 (Aida El-Khadra) 表示:“μ介子正好達到了最佳效果。”
為了測量μ子的磁性微妙之處,物理學家將數十億個粒子扔到了巨大的μ子周圍,環形磁鐵伊利諾州巴達維亞費米實驗室的 Muon g−2 實驗(序號:2018 年 9 月 19 日)。 在磁鐵內部,μ子磁極的方向會擺動或進動。 值得注意的是,歲差的速率與標準模型預期略有不同,物理學家於 4 月 7 日發表報告稱虛擬研討會,並在發表於物理評論快報。
日本 KEK 高能加速器研究組織的 Tsutomu Mibe 表示:“這是一個非常複雜的實驗。” “這是一項出色的工作。”
為了避免偏見,團隊自行保密,在分析數據時對最終數字保密。 牛津密西西比大學物理學家梅格納·巴塔查亞 (Meghna Bhattacharya) 表示,當答案終於揭曉時,“我渾身起雞皮疙瘩。” 研究人員發現μ子磁異常為0.00116592040,精確度為百萬分之46。 理論預測將該數字固定在 0.00116591810。 巴塔查亞說,這種差異「暗示著新物理學的出現」。
先前對這種類型的測量來自 2001 年在紐約厄普頓的布魯克海文國家實驗室完成的一項實驗,似乎也不同意與理論預測(序號: 2/15/01)。 當新結果與先前的差異相結合時,測量結果與預測的統計偏差為 4.2 sigma——非常接近聲稱發現的典型 5 sigma 基準。 「我們必須等待費米實驗室實驗的更多數據才能真正確信這是一個真正的發現,但它變得越來越有趣,」芝加哥大學的理論物理學家卡洛斯·瓦格納說。
介子之謎
μ子磁異常的新測量(紅色)與早期測量(藍色)一致。 平均測量值(紫色)和理論預測(綠色)的統計測量值不一致,為 4.2 sigma,這表明未知的物理效應正在發揮作用。 五西格瑪分歧被認為足以聲明一項發現。
根據量子物理學,μ子不斷地瘋狂地發射和吸收粒子,這使得磁異常的理論計算變得極為複雜。 由 170 多名物理學家組成的國際團隊在 El-Khadra 的共同領導下最終確定了理論預測2020 年 12 月物理報告。
許多物理學家認為,這個理論預測是可靠的,並且不太可能隨著進一步的研究而改變。 但一些爭論仍然存在。 使用稱為晶格 QCD 的計算技術來處理計算中特別棘手的部分,給出的估計值會下降更接近實驗測量值,物理學家 Zoltan Fodor 及其同事 4 月 7 日在《自然。 賓州州立大學的福多爾說,如果福多爾和同事的計算是正確的,“這可能會改變我們對實驗的看法”,也許會讓用標準模型解釋實驗結果變得更容易。 但他指出,他的團隊的預測需要其他計算的證實,然後才能像「黃金標準」預測一樣受到認真對待。
隨著理論物理學家不斷完善他們的預測,實驗估計也將得到改善:Muon g−2(發音為 gee-two)物理學家到目前為止只分析了一小部分數據。 Mibe 和同事計劃於 2025 年在位於東海的日本質子加速器研究中心 J-PARC 開始使用不同技術進行實驗。
如果實驗與預測之間的差異成立,科學家將需要找到超越標準模型的解釋。 物理學家已經相信標準模型無法解釋外面的一切:例如,宇宙似乎充滿了看不見的暗物質,這是標準模型粒子無法解釋的。
一些物理學家推測,μ子磁異常的解釋可能與已知的粒子物理學難題有關。 例如,一個新粒子可能會同時解釋暗物質和 Muon g−2 結果。 或者可能與意想不到的功能有關某些粒子衰變在日內瓦附近的 CERN 粒子物理實驗室的 LHCb 實驗中觀察到(序號:2017 年 4 月 20 日),最近加強了新結果3 月 22 日發佈於 arXiv.org。
密西西比大學的 Muon g−2 物理學家 Jason Crnkovic 表示,Muon g−2 測量將加強此類研究。 “這是一個令人興奮的結果,因為它將引發很多討論。”