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反常的缪子:新物理是否到来?

本刊记者/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多公里的漫长又战战兢兢的旅行――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口岸。一辆经由特殊刷新过的卡车已经期待在码头,7月26日破晓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,迎接“它”的到来。

它是一个重700吨、宽约15米的伟大超导磁环,在2013年炎天,以“尽可能保持精度”的怪异方式从纽约的布鲁克海文国家实验室运输到费米。经由一连串庞大的调试后,这套装备于2018年最先正式运行。费米特有的壮大加速器源源不停地为磁环注入一种特殊的粒子――缪子( 子),就像电子一样,它在磁环中举行着一种近似地球围绕太阳的运动,既自转又公转,不外自转的偏向不停偏离,直到衰变出一个电子――而它,有可能成为解码人类和宇宙隐秘的钥匙,并示意着“新物理”的到来。

(停在码头的巨型超导铁磁环。图/费米实验室)

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剖析显示,缪子在绕磁环运动时有一个较大的摇晃幅度,和尺度模子盘算出的展望情形不符。

这引发了物理学界的震荡。在4月7日的公布会上,费米实验室缪子反常磁矩实验的卖力人克里斯・波莉说,发生这种误差一定是出了什么问题,可能有一些隐藏的器械在施展作用。它们是什么?可能是一种新粒子或第五种作用力,也可能缪子内部尚有更深入的结构。

这些展望所有令人异常兴奋,由于它们都指向了一种超出尺度模子之外的新物理。

极小的误差

尺度模子是人类现在能找到的最正确的对微观天下的注释,是整个粒子物理学的基本,形貌了构建宇宙的基本粒子和相互作用。科学家以为,天下是由17种基本粒子组成,缪子是其中一种。它是电子的表亲,质量是电子的207倍,可以简朴明晰成“更胖的电子”,除此以外其他性子都相同:都带一个单元电荷(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,发生了缪子,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注释的新鲜征象,好比磁矩的误差。缪子会像陀螺一样自转,在这个历程中自身会发生磁场,磁矩就反映磁场的量度。理论物理学家以为,无论电子照样缪子,将磁矩举行某种牢固的除法运算后会获得一个常数比值,也就是g因子,根据尺度模子,g应该是2.00231930436……可以一直正确到小数点后11位,但实验中发现,缪子的g因子总会和理论展望值发生一定误差,g-2反映的就是这个误差。这种磁矩上泛起的反常,就是缪子反常磁矩问题。

这种误差着实很细小,要一直读到小数点后七位才会发现,但在微观粒子天下,任何展望之外极小的转变背后,都可能隐藏着足以震荡整个物理学界的发现。缪子磁矩反常之以是云云主要,是由于一旦确认,就足以打破久经磨练的尺度模子。粒子物理学在20世纪70年月确立了集大成的尺度模子理论之后,今后任何发现都没有超出这个模子。无论是通过大型强子对撞机(LHC)等加速器,照样在一些用于寻找暗物质的探测实验中,所有模子之外的探索都失败了。

但物理学家们信托,尺度模子远远不是完善的,在模子之外,一定存在着另一个更宽大的、未知的天下。尺度模子属于量子场论,只席卷了三种基本作用力:电磁力、强相互作用力与弱相互作用力,但没有形貌到让苹果掉到牛顿头上的引力。而在量子力学降生之前,人们明晰这个天下的焦点就是引力。另一方面,尺度模子也无法注释暗物质的存在。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%,更广袤的宇宙是漆黑的,由暗物质组成,它们既不吸收光,也不发射光,人类现在还没有发现任何一个暗物质粒子。

为了注释这些征象,物理学家试图开拓“新物理”的领土,寻找尺度模子之外的物理。有一些迹象注释了新物理的存在,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。

在研究缪子的历程中,一最先,人们并不以为是理论出了问题,而以为是盘算不够正确,好比,没有思量到量子涨落。上海交通大学粒子物理教授李亮是此次实验的焦点介入职员之一。他对《中国新闻周刊》注释,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泛起,又突然消逝,由于难以捕捉,以是是虚的,这就是量子涨落,这又会对缪子的磁场发生滋扰。基于此,实验职员对盘算举行了修正,最最先是一阶修正,只思量光子的滋扰,今后尚有二阶修正、三阶修正,也就是清扫更多粒子的滋扰,如W、Z玻色子,希格斯玻色子等。

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但科学家们很快发现,纵然清扫了这些滋扰,实验测出的缪子磁矩仍然存在反常。从1930年月起,差其余实验效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征象。而费米实验室的发现在布鲁克海文的基础上更进一步,不仅提高了丈量精度,一期数据的剖析效果也将结论的“有用性”提高到了4.2σ,这是在统计学上的意义,也就是4.2倍尺度方差。

李亮指出,这是一个异常有力的证据,4.2σ,就是泛起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%的概率是准确的。但科学界更严谨,按划定,只有尺度方差到达5σ,才称得上是一个“发现”,也就是保证实验只有350万分之一的概率失足。但现在这只是一期效果,剖析的是2018年的运行数据,尚有2019、2020年的二期、三期数据,其数据量将会是一期的7倍,最快将于一年后宣布。“我有充实的信心,之后两期的数据剖析出来后,会有很大的概率到达5σ,这意味着,不是由于盘算问题,也不是由于丈量精度不够,在举行种种高阶修正之后,缪子的磁矩和尺度模子的展望值仍存在一点点误差。”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,露出了内里的蓝色超导线圈。这些线圈可以发生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停加速、衰变天生3.094GeV能量的缪子束团。缪子束团被射入铁磁环后,最先以靠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。实验职员通过提取电子的信息,可以获得衰变前缪子的磁矩。在这个历程中,缪子像一个自身一直旋转的陀螺,自转轴不停偏离最初的偏向。陀螺歪了。

(实验装置。图/费米实验室)

这是一个异常优美而精练的实验,也是一个很经典的实验原理。从1960年月起,差异实验室在丈量缪子反常磁矩时都是接纳这个方案。李亮指出,费米实验室在举行实验时,实验原理与布鲁克海文相同,但在精度上作了很大改善。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,最终的数据量会到达布鲁克海文的20倍。而且,之以是接纳已有的磁环,是由于在这个实验中,磁场的平均异常要害。若是再造一个新的,其平均水平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。

李亮还示意,探测器的敏捷度尤为主要,费米实验的探测器是全新的,接纳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团结研发。一方面,氟化铅晶体的响应时间异常快,可以在短时间内做多次丈量,其次是精度很高,且可以更好地削减对磁场的滋扰。

多年来,丈量精度不够高,一直是物理学界对自己的发现不自信的主要缘故原由之一。由丈量带来的误差包罗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(万万分之二点八),费米实验室通过改善硬件和手艺,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。

在云云高精度的靠山下,得出了一个异常有希望的发现以后,现在,人们要思索的是,陀螺为什么歪了?

在李亮看来,现在学界有两种主要的展望。一种是泛起了尺度模子之外的新的基本粒子。对此很容易明晰,由于当缪子在电磁环中没有根据预定轨迹运动时,一定有一个外界气力滋扰,这可能是一些人类现在还无法考察到的全新粒子,由于和这些粒子发生了相互作用,使缪子的轨迹泛起了误差。以是接下来就要回覆,这个新粒子从哪来的?它有什么性子?它和尺度模子基本粒子的关系是什么?

第二种可能性是,缪子不再是不能分的点粒子,内部尚有微观结构,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。若是单看费米一个实验的效果,得出的尺度方差是 3.3σ, 比布鲁克海文昔时的数据3.7σ还要小,现在还不确定之后的效果会让这个数字变得更大,照样更小了。在已往的粒子物理历史中有许多例子,原本的统计数字是3点多,厥后却下降了。纵然到了5,也要磨练这个数字是否足够正确。

王贻芳还示意,除了这种不确定性以外,也无法清扫是否可能理论盘算泛起了误差,才造成现在的效果。而且,理论盘算在相当大的水平上也行使了一些此前已有的实验数据,实验数据自己也需要再检查。

在这个实验中,最要害的环节是把实验数据和理论盘算数据举行对比,理论盘算是依据尺度模子来展望,但由于缪子的不稳固性,在盘算时有较大的不确定性,在1968年就发生过类似的事情。那时,欧洲核子中央的实验物理学家得出一个和理论盘算存在1.7σ差距的效果,厥后发现泛起误差是理论盘算出了问题,修复错误后,理论和实验效果吻合得很好。2016年,来自全球82个机构的132名顶级理论物理学家组成了同盟,分成差异组自力举行盘算,最终杀青共识,理论展望出来的g是2.0023318362。费米实验室的丈量效果就是和这个数字举行对照。

李亮指出,在缪子和周围虚粒子发生作用而带来的种种转变中,盘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。当缪子在流传时,可能会瞬间发射出一个光子,光子会衰酿成强子和反强子,强子和反强子又迅速变回光子,然后再被缪子重新吸收。这个历程被称为强子真空极化。这个征象很难进入尺度模子的盘算中,由于强子不是伶仃泛起,数目许多,像粒子云一样,这中央发生的种种作用很难准确展望。

但若是经由磨练之后,最后证实这个反常确实存在,王贻芳说:“这将是我们第一次异常明确地看到超出尺度模子的实验征象。”

不外,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,纵然真的可能存在新粒子,这种新粒子到底是什么,按现有的种种模子会有异常多的可能,好比超对称模子,暗物质模子等,物理学界要先确定哪一种模子更靠近真实,有一个偏向后,再通过对撞机去寻找新粒子。

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