編譯｜王昱

審校｜吳非

2月末,，當(dāng)數(shù)百名物理學(xué)家在一場Zoom會議中討論他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時,，沒人知道他們到底發(fā)現(xiàn)了什么。就像臨床試驗(yàn)中的醫(yī)生,，繆子g-2實(shí)驗(yàn)的研究者對他們的數(shù)據(jù)感到困惑。多年來,，這其中隱藏的變量一直在阻止他們了解,，這一切到底意味著什么,。

但當(dāng)數(shù)據(jù)在Zoom會議上揭曉時，物理學(xué)家們意識到,，他們的等待是值得的：他們的結(jié)果進(jìn)一步鞏固了“新物理”存在于繆子（μ子）的證據(jù)。倫敦大學(xué)學(xué)院物理學(xué)家麗貝卡·奇斯萊特（Rebecca Chislett）是繆子g-2合作組織的成員,，她說：“在當(dāng)下的時間點(diǎn),，我們看到了結(jié)果,，但還不知道這意味著什么。它令人興奮,，緊張,，但至少也讓人松了一口氣?！?/span>

盡管標(biāo)準(zhǔn)模型在解釋構(gòu)建宇宙的基本粒子和基本相互作用時取得了顯著成功,，但它的描述仍然是非常不完整的,。一方面，標(biāo)準(zhǔn)模型沒有解釋引力,；另一方面,，它在暗物質(zhì)、暗能量和中微子質(zhì)量等問題上也保持緘默,。為了解釋這些現(xiàn)象,，研究人員一直在尋找新物理——通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論預(yù)測的偏差來尋找標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理,。

繆子g-2是美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室開展的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，旨在通過精確測量μ子在磁場中的擺動,，精確地確定其磁矩,。如果這些粒子磁矩的實(shí)驗(yàn)值和理論預(yù)測的不一樣,，這其中的偏差可能就是新物理學(xué)存在的標(biāo)志，比如一些微小,、未知的影響μ子的粒子或力,。根據(jù)繆子g-2合作組織在《物理評論快報》的3篇論文中的報道,，此次公布的數(shù)據(jù)精度達(dá)到了前所未有的0.35ppm（ppm表示百萬分之一），而在這個精度上,，μ子最新數(shù)據(jù)和理論預(yù)測差了一點(diǎn)點(diǎn)（0.00000000251）,，置信度為4.2σ,。如果達(dá)到5σ，物理學(xué)家便可以聲稱,，這里一定出了問題,。而現(xiàn)在,，這個接近卻未達(dá)到5σ的數(shù)值，也令不少物理學(xué)家對新物理的存在感到樂觀,。

當(dāng)然，也并非所有人都持有樂觀的態(tài)度,。許多偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的現(xiàn)象都自己沒了下文,，留下標(biāo)準(zhǔn)模型不戰(zhàn)而勝，因此,，另一些物理學(xué)家已經(jīng)厭倦了這些“突破性的發(fā)現(xiàn)”,，為它們的前景感到悲觀,。這項(xiàng)在物理學(xué)界引發(fā)轟動的研究，究竟是怎么回事,？

反常磁矩

μ子和電子幾乎相同。兩種粒子帶有相同的電荷及其他量子屬性,，比如自旋。但μ子的質(zhì)量是電子的200倍,，因此它們壽命很短，會衰變成更輕的粒子,。結(jié)果是,，μ子不能替代電子在結(jié)構(gòu)方面的關(guān)鍵作用,。幾乎所有原子間的化學(xué)鍵，都是由于電子的穩(wěn)定性才能存在,，而原子構(gòu)建了我們熟知的世界,。磁矩是一個和自旋正緊密相關(guān)的物理量，此次實(shí)驗(yàn)測量的是磁矩與理論預(yù)測的偏差,，被稱為μ子反常磁矩問題。

當(dāng)?shù)聡锢韺W(xué)家保羅·昆澤（Paul Kunze）在1933年首次觀測到μ子時,，并不能確定它的組成，甚至磁矩的概念也是剛剛提出。新發(fā)現(xiàn)的粒子對當(dāng)時有限的亞原子粒子家族來說,，是一個難以解釋的現(xiàn)象，這引出了物理學(xué)家伊西多爾·艾薩克·拉比（Isidor Isaac Rabi）的一句名言：“想想μ子,，有人點(diǎn)過這道菜嗎,？”隨后幾十年間，傳統(tǒng)認(rèn)知外的粒子泛濫成災(zāi),，μ子的確是更大粒子集合的一部分，但歷史的進(jìn)程仍沒能解開拉比的困惑：事實(shí)證明μ子的確可能有些奇怪,。

1968年,，當(dāng)時歐洲核子中心的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家得到了精度為265 ppm的結(jié)果,，與當(dāng)時的理論計算存在 1.7σ 的差距。從概率上講,，這種情況出自偶然的可能性約為9%。但經(jīng)過仔細(xì)檢查后,，發(fā)現(xiàn)偏差出現(xiàn)的原因是當(dāng)時理論計算出了問題,，修復(fù)錯誤后，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好,。

2001年，紐約厄普頓布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）的E821實(shí)驗(yàn)達(dá)到了1.3 ppm的精度,，發(fā)現(xiàn)μ子磁矩可能偏離了理論,。就算它有3.3σ的置信度,，也不足以讓物理學(xué)家確信存在反常磁矩。就算根本沒有新物理的存在,，科學(xué)家也有千分之一的可能看到這樣大的偏差。（置信度為5σ時,，這個概率是350萬分之一,。）雖然結(jié)果達(dá)不到5σ,，但2001年的這個結(jié)果也足夠激起研究者對未來實(shí)驗(yàn)的興趣,。

經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn),，物理學(xué)家終于將置信度提高到了4.2σ。雖然研究人員還不能聲稱取得了新發(fā)現(xiàn),，但這已經(jīng)是人類距離新物理最近的一次,。而就在上周，大型強(qiáng)子對撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）也可能發(fā)現(xiàn)了輕子味普適性（lepton flavour universality，LFU）破缺存在的證據(jù),。雖然置信度只有3.1σ,，但同樣暗示新物理存在于μ子。對標(biāo)準(zhǔn)模型接踵而至的挑戰(zhàn)正在挑逗著粒子物理學(xué)家敏感的神經(jīng),。

移動的μ子

大多物理實(shí)驗(yàn)都重復(fù)使用部件,。比如,，大型強(qiáng)子對撞機(jī)所處的地下隧道，以前是為它的前身——大型電子正電子對撞機(jī)（Large Electron-Positron Collider）所設(shè)計,?？娮觛-2背后的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家則更進(jìn)一步,，與其在原地建立新的磁鐵,，他們反而將這個15米的環(huán)狀磁鐵從布魯克黑文水運(yùn)到它在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的新家，行程足足5000多公里,。

磁鐵在繆子g-2實(shí)驗(yàn)中占據(jù)中心位置。一束正π介子——由一個上夸克和一個下反夸克組成的輕量級粒子——衰變成μ子和μ子中微子,。μ子被收集引導(dǎo)到磁鐵周圍的圓形軌道上,，在衰變成正電子之前，他們最多會繞幾千圈,。通過探測μ子衰變的方向,，物理學(xué)家能提取粒子如何和磁鐵相互作用的信息,。

這個過程是如何運(yùn)作的,？可以將μ子想象成一個微型模擬時鐘，當(dāng)粒子環(huán)繞磁鐵時,，它的時針以理論預(yù)測的速率轉(zhuǎn)動著,。走到盡頭時,，μ子會衰變成一個正電子，并將其輻射向時針?biāo)傅姆较?。但如果時針以和理論預(yù)測不同的速率旋轉(zhuǎn)，例如稍快一些,，衰變出的正電子會指向稍微不同的方向。（在這個類比中,，時針對應(yīng)μ子的自旋，一個決定μ子衰變方向的量子屬性,。）檢測到足夠的偏差正電子,，就能測到一個反常現(xiàn)象,。

反常現(xiàn)象意味著什么仍不為人所知,。可能是標(biāo)準(zhǔn)模型沒說明的事物,，也可能是電子和μ子之間的差異,，或者是存在電子太小現(xiàn)在無法察覺到的現(xiàn)象。粒子的質(zhì)量和它能和多重的未知粒子相互作用相關(guān),，所以對質(zhì)量是電子200倍的μ子來說,，它要敏感得多,。

繆子g-2實(shí)驗(yàn)從2017年的首次運(yùn)行開始收集數(shù)據(jù)，但直到現(xiàn)在結(jié)果才出爐,，因?yàn)樘幚磉@些信息是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。單獨(dú)來看,，繆子g-2的實(shí)驗(yàn)值并不能告訴我們什么,。它必須和最新的理論預(yù)測進(jìn)行比較才能有意義,，而后者本身就是130名物理學(xué)家的工作,。

需要這么多腦力是因?yàn)楫?dāng)μ子在空間中穿行時，空間并非空無一物,。相反，無數(shù)虛粒子在其中形成了翻滾響動的濃湯,，這些粒子不斷的憑空出現(xiàn)又突然消失,。μ子有微小的概率會和這些粒子相互作用，這會影響μ子的行為,。計算這些虛粒子對μ子自旋的影響,，需要一系列艱巨的理論計算，并達(dá)到相同的精確度,。

所有這些都意味著,，對μ子的理論預(yù)測本身，都存在不確定性,，而理論家一直在嘗試縮小不確定性,。一種方法是通過晶格量子色動力學(xué)（QCD）,，依靠海量計算能力來計算虛粒子對μ子產(chǎn)生的影響。根據(jù)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的物理學(xué)家艾達(dá)·埃爾-卡德拉（Aida El-Khadra）的說法,，大約6組研究者都在緊追這個問題。

而《自然》上發(fā)表的一篇論文表示,，此次出現(xiàn)的偏差，也有可能根本不是什么新物理,，而是理論計算出現(xiàn)了偏差,。之前的理論預(yù)測依賴于正負(fù)電子湮滅成強(qiáng)子的碰撞截面的測量結(jié)果，這樣的理論預(yù)測的確也可能存在和實(shí)際的偏差,。偏差可能能用領(lǐng)頭階的強(qiáng)子真空極化（leading-order hadronic vacuum polarization,，LO-HVP）來解釋,。也就是說,，這次的情況完全可能像1968年那樣，實(shí)驗(yàn)沒有問題,，是通過現(xiàn)有理論進(jìn)行的理論預(yù)測出現(xiàn)了問題,。

剝繭抽絲

不過即便如此，也擋不住物理學(xué)家的熱情,。接下來的幾天和幾周內(nèi)，一連串的理論論文會試圖賦予結(jié)果更多意義,。引入Z玻色子和輕子夸克一類新粒子的模型將會按照新信息進(jìn)行更新,。同時一些物理學(xué)家會猜測，μ子反常自旋到底可能意味著什么,，進(jìn)一步降低不確定度,，將結(jié)果推到5σ以上的努力也仍在繼續(xù),。

根據(jù)研究人員的說法，繆子g-2實(shí)驗(yàn)第二和第三次運(yùn)行的數(shù)據(jù)預(yù)計將會在18個月內(nèi)公布,，這些數(shù)據(jù)可能將置信度推過5σ的閾值，也可能降低其置信度,。另外,，日本東京物理實(shí)驗(yàn)室J-PARC（日本質(zhì)子加速器研究綜合體）的研究人員可能會有自己的答案。他們計劃用一種略微不同的方式測量獨(dú)立驗(yàn)證繆子g-2實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,。同時，理論學(xué)家會繼續(xù)完善他們的預(yù)測,，減少他們測量的不確定度,。

然而，即使是所有這些努力都證實(shí)是新物理在μ子中起作用,，物理學(xué)家也不能解釋新物理是什么,。揭示新物理本質(zhì)所需的工具可能是新的對撞機(jī)——這正是許多物理學(xué)家在提案中一直呼吁的國際線性對撞機(jī)和高亮度LHC,。過去的幾個月，人們對μ子對撞機(jī)的興趣激增,，多篇論文預(yù)測,，這將保證物理學(xué)家能夠確定影響μ子的未知粒子或力的性質(zhì)。

即使是那些對新結(jié)果置信度存在懷疑的人,，也忍不住找到了一些希望,。意大利帕多瓦大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家托馬索·多里戈（Tommaso Dorigo）說：“這對粒子物理來說是件好事,，因?yàn)榱Ｗ游锢硪呀?jīng)消亡了一段時間,?！?/span>

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