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反常的繆子:新物理是否到來?上海助孕

作者:成都康裕助孕網時間:2021-04-16 12:19:32熱度:6066
反常的繆子:新物理是否到來?中國新聞周刊記者/霍思伊發於2021.4.19總第992期《中國新聞周刊》這是一場跨越5000多公裏的漫長又小心翼翼的旅行——6月2

  反常的繆子:新物理是否到來?

  中國新聞周刊記者/霍思伊

  發於2021.4.19總第992期《中國新聞周刊》

  這是一場跨越5000多公裏的漫長又小心翼翼的旅行——6月24日,從紐約長島出發,先是沿著美國東海岸向南到達佛羅裏達的頂角,然後進入墨西哥灣,這就花了一個月,然後沿著田納西-湯比格比水路向上進入密西西比河,伊利諾伊河和德斯普蘭斯河,在7月20日到達伊利諾伊州的港口。一輛經過特殊改造過的卡車已經等候在碼頭,7月26日淩晨4時7分,在美國費米國家加速器實驗室門前的草坪上,3000人舉起了手,歡迎“它”的到來。

  它是一個重700噸、寬約15米的巨大超導磁環,在2013年夏天,以“盡可能保持精度”的獨特方式從紐約的布魯克海文國家實驗室運輸到費米。經過一連串複雜的調試後,這套設備於2018年開始正式運行。費米特有的強大加速器源源不斷地為磁環注入一種特殊的粒子——繆子(μ子),就像電子一樣,它在磁環中進行著一種近似地球圍繞太陽的運動,既自轉又公轉,不過自轉的方向不斷偏離,直到衰變出一個電子——而它,有可能成為解碼人類和宇宙奧秘的鑰匙,並暗示著“新物理”的到來。

  2021年4月7日,費米國家加速器實驗室(簡稱費米實驗室)宣布,繆子反常磁矩實驗的一期數據分析顯示,繆子在繞磁環運動時有一個較大的搖擺幅度,和標準模型計算出的預測情況不符。

  這引發了物理學界的震蕩。在4月7日的發布會上,費米實驗室繆子反常磁矩實驗的負責人克裏斯·波莉說,發生這種偏差一定是出了什麽問題,可能有一些隱藏的東西在發揮作用。它們是什麽?可能是一種新粒子或第五種作用力,也可能繆子內部還有更深入的結構。

  這些猜測全部令人非常興奮,因為它們都指向了一種超出標準模型之外的新物理。

  極小的偏差

  標準模型是人類目前能找到的最精確的對微觀世界的解釋,是整個粒子物理學的根基,描述了構建宇宙的基本粒子和相互作用。科學家認為,世界是由17種基本粒子構成,繆子是其中一種。它是電子的表親,質量是電子的207倍,可以簡單理解成“更胖的電子”,除此以外其他性質都相同:都帶一個單位電荷(正或負),自旋為1/2,也就是轉兩圈後,會回到初始狀態。

  1936年,物理學家在宇宙射線中發現了繆子的存在。當太陽拋射出來的高能質子進入地球時,與外層大氣發生碰撞,產生了繆子,它以光速衝向地麵,穿透力很強,可以深入2700米的岩層之下。

  從發現以來,繆子一直有一些無法解釋的奇怪現象,比如磁矩的偏差。繆子會像陀螺一樣自轉,在這個過程中自身會產生磁場,磁矩就反映磁場的量度。理論物理學家認為,無論電子還是繆子,將磁矩進行某種固定的除法運算後會得到一個常數比值,也就是g因子,按照標準模型,g應該是2.00231930436……可以一直精確到小數點後11位,但實驗中發現,繆子的g因子總會和理論預測值產生一定偏差,g-2反映的就是這個偏差。這種磁矩上出現的反常,就是繆子反常磁矩問題。

  這種偏差其實很微小,要一直讀到小數點後七位才會發現,但在微觀粒子世界,任何預測之外極小的變化背後,都可能隱藏著足以震蕩整個物理學界的發現。繆子磁矩反常之所以如此重要,是因為一旦確認,就足以打破久經檢驗的標準模型。粒子物理學在20世紀70年代建立了集大成的標準模型理論之後,此後任何發現都沒有超出這個模型。無論是通過大型強子對撞機(LHC)等加速器,還是在一些用於尋找暗物質的探測實驗中,所有模型之外的探索都失敗了。

  但物理學家們相信,標準模型遠遠不是完美的,在模型之外,一定存在著另一個更廣大的、未知的世界。標準模型屬於量子場論,隻囊括了三種基本作用力:電磁力、強相互作用力與弱相互作用力,但沒有描述到讓蘋果掉到牛頓頭上的引力。而在量子力學誕生之前,人們理解這個世界的核心就是引力。另一方麵,標準模型也無法解釋暗物質的存在。芭乐视频最新ioses二维码下载看到的每一件事物都是與光發生了相互作用,但這些物質的能量隻占宇宙中總能量的4%,更廣袤的宇宙是黑暗的,由暗物質組成,它們既不吸收光,也不發射光,人類目前還沒有發現任何一個暗物質粒子。

  為了解釋這些現象,物理學家試圖開拓“新物理”的疆域,尋找標準模型之外的物理。有一些跡象表明了新物理的存在,其中一個是1998年發現的中微子振蕩,另一種就是繆子的磁矩反常。

  在研究繆子的過程中,一開始,人們並不覺得是理論出了問題,而認為是計算不夠精確,比如,沒有考慮到量子漲落。上海交通大學粒子物理教授李亮是此次實驗的核心參與人員之一。他對《中國新聞周刊》解釋,真空不是空的,時空像泡沫一樣,有大量的虛擬粒子存在,它們會在某個瞬間突然出現,又突然消失,因為難以捕捉,所以是虛的,這就是量子漲落,這又會對繆子的磁場產生幹擾。基於此,實驗人員對計算進行了修正,最開始是一階修正,隻考慮光子的幹擾,此後還有二階修正、三階修正,也就是排除更多粒子的幹擾,如W、Z玻色子,希格斯玻色子等。

  但科學家們很快發現,即使排除了這些幹擾,實驗測出的繆子磁矩仍然存在反常。從1930年代起,不同的實驗結果相繼印證了這種反常,但受限於精度問題,人們對自己的發現並不自信,直到美國布魯克海文國家實驗室在2006年相對明確地提出了這個現象。而費米實驗室的發現在布魯克海文的基礎上更進一步,不僅提高了測量精度,一期數據的分析結果也將結論的“有效性”提高到了4.2σ,這是在統計學上的意義,也就是4.2倍標準方差。

  李亮指出,這是一個非常有力的證據,4.2σ,就是出現統計誤差的概率隻有四萬分之一,換句話說,這個發現有99.99%的概率是正確的。但科學界更嚴謹,按規定,隻有標準方差達到5σ,才稱得上是一個“發現”,也就是保證實驗隻有350萬分之一的概率出錯。但目前這隻是一期結果,分析的是2018年的運行數據,還有2019、2020年的二期、三期數據,其數據量將會是一期的7倍,最快將於一年後公布。“我有充分的信心,之後兩期的數據分析出來後,會有很大的概率達到5σ,這意味著,不是由於計算問題,也不是由於測量精度不夠,在進行各種高階修正之後,繆子的磁矩和標準模型的預測值仍存在一點點偏差。”他說。

  新物理是否到來?

  在費米實驗室,跨越了5100多公裏的巨型超導鐵磁環在撤去了專為運輸設計的紅白金屬罩後,露出了裏麵的藍色超導線圈。這些線圈可以產生1.45特斯拉的磁場,約為地球磁場的30000倍。實驗室的超強質子加速器以平均每秒11.4次的頻率將10~12個質子組成的質子束團不斷加速、衰變生成3.094GeV能量的繆子束團。繆子束團被射入鐵磁環後,開始以接近光速的速率一圈又一圈地運動,在繞了幾千圈後,每個繆子會衰變出一個電子,這些電子被探測器檢測出來。實驗人員通過提取電子的信息,可以得到衰變前繆子的磁矩。在這個過程中,繆子像一個自身不停旋轉的陀螺,自轉軸不斷偏離最初的方向。陀螺歪了。

  這是一個非常優美而簡潔的實驗,也是一個很經典的實驗原理。從1960年代起,不同實驗室在測量繆子反常磁矩時都是采取這個方案。李亮指出,費米實驗室在進行實驗時,實驗原理與布魯克海文相同,但在精度上作了很大改進。費米實驗室可以輸出美國強度最大的繆子源,其繆子束流強度是布魯克海文實驗的10倍,最終的數據量會達到布魯克海文的20倍。而且,之所以采用已有的磁環,是因為在這個實驗中,磁場的均勻非常關鍵。如果再造一個新的,其均勻程度不會像已經使用過的電磁環這麽完善,還要花大量時間重新校準。

  李亮還表示,探測器的靈敏度尤為重要,費米實驗的探測器是全新的,采用了一種會發光的氟化鉛晶體,它的生產線就在中國,由中科院上海矽酸鹽研究所和上海交大聯合研發。一方麵,氟化鉛晶體的響應時間非常快,可以在短時間內做多次測量,其次是精度很高,且可以更好地減少對磁場的幹擾。

  多年來,測量精度不夠高,一直是物理學界對自己的發現不自信的主要原因之一。由測量帶來的誤差包含統計誤差和係統誤差兩種,布魯克海文實驗的係統誤差是0.28ppm(千萬分之二點八),費米實驗室通過改進硬件和技術,將這個誤差降低到了0.16ppm,這是一個很大的躍遷。而在統計誤差上,布魯克海文是0.46ppm, 費米是0.43ppm。

  在如此高精度的背景下,得出了一個非常有希望的發現以後,現在,人們要思考的是,陀螺為什麽歪了?

  在李亮看來,目前學界有兩種主要的猜測。一種是出現了標準模型之外的新的基本粒子。對此很容易理解,因為當繆子在電磁環中沒有按照預定軌跡運動時,一定有一個外界力量幹擾,這可能是一些人類現在還無法觀測到的全新粒子,由於和這些粒子發生了相互作用,使繆子的軌跡出現了偏差。所以接下來就要回答,這個新粒子從哪來的?它有什麽性質?它和標準模型基本粒子的關係是什麽?

  第二種可能性是,繆子不再是不可分的點粒子,內部還有微觀結構,這些內部粒子可能在一定條件下發生相互作用,從而在整體上影響了繆子的磁矩。

  中科院院士、中科院高能物理所所長王貽芳對《中國新聞周刊》指出,現在談這些還為時尚早,首先,費米實驗最後的4.2σ是在綜合了布魯克海文實驗的數據後得出的。如果單看費米一個實驗的結果,得出的標準方差是 3.3σ, 比布魯克海文當年的數據3.7σ還要小,目前還不確定之後的結果會讓這個數字變得更大,還是更小了。在過去的粒子物理曆史中有很多例子,原本的統計數字是3點多,後來卻下降了。即使到了5,也要檢驗這個數字是否足夠精確。

  王貽芳還表示,除了這種不確定性以外,也無法排除是否可能理論計算出現了誤差,才造成目前的結果。而且,理論計算在相當大的程度上也利用了一些此前已有的實驗數據,實驗數據本身也需要再檢查。

  在這個實驗中,最關鍵的環節是把實驗數據和理論計算數據進行對比,理論計算是依據標準模型來預測,但由於繆子的不穩定性,在計算時有較大的不確定性,在1968年就發生過類似的事情。當時,歐洲核子中心的實驗物理學家得出一個和理論計算存在1.7σ差距的結果,後來發現出現偏差是理論計算出了問題,修複錯誤後,理論和實驗結果吻合得很好。2016年,來自全球82個機構的132名頂級理論物理學家組成了聯盟,分成不同組獨立進行計算,最終達成共識,理論預測出來的g是2.0023318362。費米實驗室的測量結果就是和這個數字進行比較。

  李亮指出,在繆子和周圍虛粒子發生作用而帶來的各種變化中,計算不確定性的一個主要因素是強子真空極化效應,雖然這隻有很小的概率發生。當繆子在傳播時,可能會瞬間發射出一個光子,光子會衰變成強子和反強子,強子和反強子又迅速變回光子,然後再被繆子重新吸收。這個過程被稱為強子真空極化。這個現象很難進入標準模型的計算中,因為強子不是孤立出現,數量很多,像粒子雲一樣,這中間發生的各種作用很難準確預測。

  但如果經過檢驗之後,最後證明這個反常確實存在,王貽芳說:“這將是芭乐视频最新ioses二维码下载第一次非常明確地看到超出標準模型的實驗現象。”

  不過,上海交通大學粒子與核物理研究所副所長劉江來也對《中國新聞周刊》強調,即使真的可能存在新粒子,這種新粒子到底是什麽,按現有的各種模型會有非常多的可能,比如超對稱模型,暗物質模型等,物理學界要先確定哪一種模型更接近真實,有一個方向後,再通過對撞機去尋找新粒子。

  “費米實驗隻給出了間接證據,確定新粒子或第五種作用力,要有更直接的觀測證據。這不會是一個很快的過程,可能還要走很遠。但毫無疑問,這會讓新物理向前推進一大步,也會拓寬原本的標準模型,接下來,理論物理學家們會很興奮。”劉江來說道。

  《中國新聞周刊》2021年第14期

  聲明:刊用《中國新聞周刊》稿件務經書麵授權

【編輯:陳海峰】