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

来源:量子位

晓查 发自 凹非寺

量子位 报道 | 公众号 QbitAI

今天发生了一件轰动物理学界的大事件。

美国费米实验室最新的实验结果,可能颠覆我们50年来都奉为圭臬的粒子物理标准模型

标准模型是解释夸克、电子等微观粒子的物理模型,在微观领域取得了巨大的成功。10年前人们发现希格斯玻色子,至此标准模型预言的所有粒子都被发现。

但费米实验室的实验结果指出,世界上可能还有标准模型未能预言的粒子。这篇研究论文今天发表在顶级期刊《物理评论快报》上。

实验发现,μ子的磁性超出了理论预测,虽然只相差0.1%,但却难以用标准模型解释。

μ子可以说是电子的“表哥”,它和电子的带电量一致,却比电子重207倍。通过测量表示μ子磁性的g因子,物理学家可能发现了背后隐藏的未知粒子。

什么是g因子

像电子和μ子这样的粒子不仅带电,还具有磁场,就像一个“小磁针”。

要解释这种现象,我们可以把它们看成是高速旋转的小球,电荷转动就会产生磁场。

我们还可以根据这种模型,用经典电磁理论算出电子或者μ子的磁矩。

不过,微观粒子的“自旋”(spin)并不能简单地看成是自转,粒子的真实磁矩,和经典物理方法算出的磁矩会相差一个倍数,这就是g因子。

如何微观粒子符合经典模型,那么g因子就等于1,然而实际上g因子一般都不等于1,因为自旋是一种量子力学才能描述的行为。

对于电子和μ子来说,g因子约等于2。因为它俩的自旋都是1/2,相当于一个物体旋转2圈才能和自己重合。

但是它们的g因子又不完全等于2,至于为什么,我们接下来再说。

g因子为何不等于2

1947年,实验发现电子的g因子约为2.00232。

要解释这一结果,必须要使用量子电动力学(QCD)。和过去的量子力学不同,QCD并不认为真空空无一物,会无时无刻产生和消失虚粒子,产生量子波动。

物理学家施温格随后在论文中这样解释g因子不等于2的原因:因为电子在真空中会发射出光子,随后又吸收,从而改变了电子的磁场。

μ子亦是如此。

量子波动越少,对电子或μ子的g因子的影响就越小。

产生虚光子只是一种改变磁矩的方式,电子或μ子也可能产生其他的重粒子,只不过概率要小得多。

而μ子的比电子重207倍,产生重粒子的概率更大,量子波动更大,对g因子的影响也更大。

电子的g因子大约是2.002319,μ子大约是2.002332。当然,这些测量值在实验误差范围内都符合QCD的预测。

数十年来,理论物理学家一直在努力精确计算g因子,另一方面实验物理学家也在不断提高精度测量g因子。

一旦二者出现了超出预期而又无法解释的偏差,那么可能意味着,与μ子相互作用的粒子中有我们所未知的。它可能是暗物质粒子,也可能是超对称理论预言的粒子。

μ子的g因子与2的差值是其中的关键,因此这类实验被叫做Muon g-2

测量g因子

第一个Muon g-2实验是欧洲核子研究中心在1959年做的,结果符合量子电动力学。

美国布鲁克海文实验室之后进行了多次测量。

2006年,物理学家发现μ子磁矩的测量值和理论值差距达到了3.7σ,但仍然很难否认是实验误差导致的结果。

此后,费米实验室接过了Muon g-2实验,由于经费限制,他们不得不使用布鲁克海文实验室的磁铁,这是一个直径15米的超导磁环。

由于体积巨大, 这颗核心实验装置先被装船经过海运、河运,最后转移到专门设计的卡车上,才运达目的地。

物理学家先撞击质子来制造大量的μ子,然后将μ子注入到磁环中。

虽然μ子的寿命极短,只有几微秒,但是它的速度非常接近光速,可以在磁环中运转上百圈,已经足够完成测量。

磁场中的μ子就像在地面上转轴倾斜的陀螺,自转轴高速地改变着方向(物理学中称之为“进动”)。

μ子每在磁环中旋转一圈,其自转轴就偏转大约12度。

物理学家要做的就是精确测量磁环内的磁场强度,以及μ子自转轴的偏转速度。通过这两个数值就能计算出μ子的磁矩,从而得到g因子。

实验结果的计算量非常之大,需要欧洲多个超级计算机中心花费数亿个CPU小时,才能完成数据处理。

最终,物理学家得到μ子的g因子为2.00233183908,与量子电动力学理论值的偏差为4.2σ。

这意味着,由统计偏差导致结果异常的概率不超过0.0013%。

意义

现在的发现仅仅是初步结果,物理学家只分析了其中一部分数据,他们还需要一两年才能完成对所有数据结果的分析。

如果实验结果确实成立,那么将颠覆粒子物理学的标准模型,我们必须改写标准模型,引入新的粒子。

也有物理学家对此持怀疑态度。还记得2011年那一个超光速的实验发现吗,当科学家以为颠覆了相对论,结果却是实验电缆没有插牢。

来自CERN的科学家Andreas Crivellin表示:“数据或数据的解释方式可能会误导人。”他正在与另一位学者合写一篇论文来解释该结果。

“就算最终结果没有改变什么,那么看到理论和实验保持一致也令人兴奋。”宾州州立大学物理学教授Zoltan Fodor如是说。

参考链接:

[1]https://www.quantamagazine.org/muon-g-2-experiment-at-fermilab-finds-hint-of-new-particles-20210407/

[2]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00898-z

[3]https://phys.org/news/2021-04-strength-muon-magnetic-field-aligns.html