|
上帝要擲新的骰子了嗎,？ 4月7號，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室公布了繆子（μ子）反常磁矩的測量結(jié)果,。新的結(jié)果和當(dāng)今物理學(xué)理論的預(yù)言有顯著差別,，舊有的標(biāo)準(zhǔn)模型逢上了前所未有的挑戰(zhàn)。新鮮出爐的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測值的偏差,，很可能標(biāo)志著新物理學(xué)的存在,。  繆子g-2實(shí)驗(yàn)裝置中的磁鐵 | Fermilab, Reidar Hahn 我們知道，物質(zhì)如同俄羅斯套娃一般,，可以被抽絲剝繭一層層細(xì)分到更微觀的單元,。分子到原子，原子到原子核和核外電子,，原子核到質(zhì)子和中子,。在目前最高精度的物理學(xué)研究中，質(zhì)子和中子由更小的夸克組成,。而對于原子核外的電子,，科學(xué)家們目前還沒能找到比它更小的組成。因此,，我們將諸如夸克,、電子等粒子稱為“基本粒子”。還有一種沒法繼續(xù)拆分的基本粒子,，就是繆子（μ子）,。 繆子（μ子）和電子很像,，都帶一個電荷。他們共同屬于一個叫做“輕子”的家族,。這個家族有“三兄弟”,，包括電子、繆子,、陶子和各自的中微子（中微子是一種不帶電荷也幾乎沒有質(zhì)量的粒子,，如同三兄弟的隨身管家）。最輕的電子和電子中微子被稱為第一代,。而繆子屬于第二代,，他的質(zhì)量是電子的約200倍，是電子的“大哥哥”,。  輕子家族 | 原圖：Akimoto, Yuki @ higgstan,；漢化：張策 可惜繆子體量雖大，壽數(shù)卻并不長,。他的平均壽命只有2.2微秒（1微秒等于百萬分之一秒）,，一旦“出生”，很快就會衰變成電子,，并同時產(chǎn)生兩個中微子,。  繆子頃刻間“灰飛煙滅” | 原圖：Akimoto, Yuki @ higgstan；漢化：張策 繆子如此轉(zhuǎn)瞬即逝,，難以摸清它的蹤跡,。也因?yàn)槿绱耍嗟恼嫦嗟却话l(fā)掘,。 測量磁矩： 標(biāo)準(zhǔn)模型的驕傲 物理學(xué)認(rèn)識任何一種粒子,，都需要對其性質(zhì)進(jìn)行測量。由于繆子帶電,，并且這個電荷可以看成繞著粒子中心旋轉(zhuǎn),，在電磁學(xué)中，一個繞轉(zhuǎn)的電荷可以等效地看成是一個環(huán)繞的電流線圈,。這個電流線圈內(nèi)部會形成和磁鐵類似的磁力線排列,，可以測得其磁矩?？茖W(xué)家用“自旋”這樣一個物理量來描述等效的電荷自轉(zhuǎn),。而磁矩和自旋這兩個物理量之間的比值系數(shù)，被稱為“g因子”,。通過經(jīng)典物理的計算,，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，諸如電子、繆子這樣的粒子的自旋g因子是常數(shù)2,。 然而,，隨著量子力學(xué)和量子場論的發(fā)展，g因子并不精確為2,。對于電子和繆子這樣來自輕子家族的粒子,，其觀測值和經(jīng)典結(jié)果有差距，因此科學(xué)家們將異常磁矩定義為(g-2)/2,。 異常磁矩的測量貫穿了二十世紀(jì)后半葉量子場論和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展,，物理學(xué)家們逐漸將異常磁矩測量得越來越精確。電子磁矩在2006年被哈佛的研究團(tuán)隊(duì)重新測量,，和半個世紀(jì)以來標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言幾乎驚人的一致,，小數(shù)點(diǎn)之后的13位的理論預(yù)言都得到了證實(shí)! 這是人類能驗(yàn)證的最精確的自然科學(xué)的預(yù)言。 繆子新數(shù)據(jù)： 是謬誤還是新的贊歌,？ 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，如果把繆子放在磁場中,，由于繆子磁矩的存在,，繆子磁矩的方向會被磁場改變，如果自旋的方向和磁場的方向不平行,，則繆子的磁矩方向會圍繞著磁場的方向轉(zhuǎn)動,。  磁場中的繆子 | 作者團(tuán)隊(duì)制作 這和我們?nèi)粘Ｉ钪械耐勇菪D(zhuǎn)十分類似。當(dāng)我們抽打陀螺使其轉(zhuǎn)動的時候,，陀螺除了自身的轉(zhuǎn)動之外,，其中心軸還會繞著重力的方向轉(zhuǎn)動。只不過,，在微觀世界中,，重力的方向換成了磁場的方向，而陀螺自身轉(zhuǎn)動就對應(yīng)于繆子的磁矩,。  繆子在磁場的轉(zhuǎn)動好比螺旋旋轉(zhuǎn) | Wikimedia Commons, Lucas Vieira / public domain 利用這一特性,，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家將繆子放在磁場中，并使繆子繞著一個環(huán)運(yùn)動,。這樣一來,，繆子不僅僅自身在轉(zhuǎn)動，同時還在繞著環(huán)運(yùn)動,。 他們發(fā)現(xiàn),，如果測量繆子繞環(huán)轉(zhuǎn)動的頻率（ωc）和繆子自我旋轉(zhuǎn)的頻率（ωs）的話，通過計算這兩個頻率之差就可以得到繆子異常磁矩的信息,。兩個轉(zhuǎn)動頻率之差,，和繆子的反常磁矩因子（g-2）可以通過下面的公式十分簡潔地聯(lián)系起來：  反常磁矩因子（g-2）計算公式 | 作者團(tuán)隊(duì)供圖 最終科學(xué)家們測量得到了最新的異常磁矩g因子。其精度之高，相當(dāng)于重復(fù)40000多次相同的實(shí)驗(yàn),，只有1次結(jié)果有可能是誤差引起的,。而這一最新的g因子數(shù)值卻與理論計算的預(yù)言不符?？茖W(xué)家們推測,，也許繆子的背后，還有一些特殊的粒子尚待發(fā)掘,。這些特殊的粒子在繆子運(yùn)動的時候悄悄跟在繆子后面阻礙其運(yùn)動,，而它們很可能預(yù)示著新的物理世界！  “神秘的粒子”可能是物理新世界 | 原圖：Akimoto, Yuki @ higgstan,；漢化：張策 不過,，目前費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室公布的異常磁矩測量結(jié)果只是初步的。現(xiàn)在的結(jié)果所用的數(shù)據(jù)只占最終他們計劃取得的數(shù)據(jù)量的6%,，取數(shù)可能在兩年內(nèi)完成,。期間費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室還將持續(xù)更新他們的結(jié)果，最終的目標(biāo)是將現(xiàn)有的精度再提高4倍左右,，并且很有可能揭示讓高能物理界公認(rèn)的“發(fā)現(xiàn)”,。此外，對繆子反常磁矩的理論計算也在多方同步進(jìn)行,。日本也提出了全新的繆子反常磁矩測量實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,，并計劃2025年開始運(yùn)行。更多的答案等待著時間來揭曉,，也許在不久的將來,，我們新生代的同學(xué)，將會有更多的物理學(xué)考點(diǎn),，快來一起圍觀,，早些劃好重點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) [1] B. Abi et al. (Muon g?2 Collaboration). Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. Phys. Rev. Lett. 126, 141801 (2021) [2] Farley, F. J. M., & Semertzidis, Y. K. (2004). The 47 years of muon g? 2. Progress in Particle and Nuclear Physics, 52(1), 1-83. [3] Saito, N., & J-PARC g? 2/EDM Collaboration. (2012, July). A novel precision measurement of muon g-2 and EDM at J-PARC. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1467, No. 1, pp. 45-56). American Institute of Physics. 作者：舒菁 編輯：蔡祎 排版：凝音  |
|
|
