μ介子讓新物理學觸手可及

介子g-2 實驗將通過測量介子在磁場中如何擺動來尋找標準模型的偏差。
Credit: Fermilab

在對新物理學的研究中，基於大量粒子加速器內部的高能量的碰撞實驗往往空手而歸。因此物理學家轉而把希望寄託於更精確的方法：更少的碰撞和抓取及更多的對擺動方式的觀察。下個月，美國的研究者將開啟這樣一項實驗。該實驗將進行一次對μ介子——電子的重型表兄弟——在磁場中的行為的超精確測量。而且這或許可以提供全新粒子存在的證據。

Credit: Nature doi:10.1038/544145a

位於伊利諾伊州巴達維亞的費米實驗室的該項新實驗所追尋的粒子泄露了部分圍繞於全部形式的物質並與之互動的虛擬「湯」。量子理論表示，存在時間短的虛擬粒子會不斷地「曇花一現」。物理學家已經解釋了已知虛擬粒子的影響，比如光子和夸克。但虛擬「湯」或許仍然包含神秘的未探明的成分。而介子也許對它們尤其敏感。

此項新的μ介子g?2 實驗將測量這種無比精確度敏感度。通過該測量，將再分析困擾了物理學家十多年的μ介子異常。如果該實驗證實這種異常，那麼最接近的解釋就是，這是被不存在於現有物理學劇本——標準模型中的虛擬粒子引發的。

德國德雷斯頓工業大學理論學家、μ介子g?2實驗合作成員多米尼克·斯托肯格表示：「這會是超越標準模型的物理學以及全新粒子的首個直接證據。」

物理學家急切渴望一種能接替標準模型的理論，一種已經非常成功的理論，但還不完整，因為未能解釋如暗物質的存在等諸多現象。 位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心的大型強子對撞機進行了諸多實驗，儘管表現超出預期，並進行了針對超越標準模型的物理對數百種搜索，但仍未揭示出一個具體的漏洞。此次μ介子異常是物理學家手中僅有的一些線索之一。

測量μ介子磁矩—— 與粒子的固有磁性有關的基本屬性——或許掌握了關鍵，因為它是通過與虛擬粒子的交互來調整的。上一次的測量是在15年前於紐約布魯克海文實驗室進行的，那時μ介子磁矩便已超出理論預測。物理學家認為，與未知粒子，或被稱為超對稱性理論所設想的粒子的相互作用，或許導致了這種異常現象。

其他可能的解釋也許是統計上的巧合，或理論學家標準模型結合已知粒子的複雜效應計算中的缺陷。但斯托肯格表示這不太可能，新的計算方法和實驗交叉檢查使得理論方面比15年前更加健全。

馬薩諸塞州波士頓大學物理學家、μ介子g?2實驗聯合領導人李·羅伯茨表示：「有了這個來自布魯克海文的誘人成果，你真的不得不做一次更好的實驗」。費米實驗室的設備將使用布魯克海文實驗中使用的μ介子數量的20倍來將不確定度縮小到4倍。羅伯茨表示：「如果誤差小得多，那麼我們都認為肯定會顯示出一些在其他地方沒有被觀察到的粒子。」

為了探測這些μ介子，費米實驗室的物理學家將把粒子注入一個大約14米的圓環磁場中。每個粒子具有稱為自旋的磁場特性，類似於地球繞自身地軸旋轉。隨著μ介子以接近光速的方式繞環，它們的旋轉軸將在磁場中搖擺，就像不穩定旋轉的陀螺。將這種進動速率與磁場的測量結合賦予了粒子磁矩。

斯托肯格表示，自從布魯克海文實驗室的結果開始，一些對這種μ介子異常的流行的解釋——包括假想暗光子的影響 —— 似乎被其他實驗排除了。「但如果你放眼超越標準模型的物理場景的全部範圍，還是有很多的可能性。」

雖然積極的結果將不太會顯示出新的粒子是什麼，它仍將為其他實驗提供如何將其確認的線索。斯托肯格表示，如果保持相對較大的布魯克海文差異，那麼結果只能來自相對較輕的粒子，如大型強子對撞機的探測範圍，即使它們很少相互作用，需要多年才能顯現。

事實上，基於先前發現的願望是如此強烈，為了避免可能的偏見，費米實驗室的實驗人員將「盲」處理他們將要得到的結果，並且將兩個測量結合使用以產生磁矩。只有當顯示偏移，任何人才能獲知他們是否有新的粒子隱藏在量子「湯」中的證據。羅伯茨表示：「在那之前沒人知道答案，那會是一個一顆賽艇的時刻。」

[HW via Scientific American]

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