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美國費米實驗室的最新μ子試驗結果對物理學有多大顛覆?粒子的標準模型有被「推翻」的風險嗎?|子乾

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導讀

此次μ子的結果如果能夠被確認,那麼對於下一步高能物理的發展方向、探索超出標準模型的新物理提供重要指導。若有幸真的與暗物質能扯上關係,那麼這將會大大增加我們對宇宙的認知,畢竟宇宙中暗物質的含量是普通可見物質的五倍還多!

為什麼是μ子而不是電子?

新物理在哪?

精細測量的意義

又是一個被刷屏的新聞,鑒於我本人並不是做這個方面的研究,沒敢第一時間就回答這個問題。現在這個問題下各位大佬已經把這個實驗說的很清楚了,我就隨便寫點吧~

1、為什麼是μ子而不是電子

首先還是把這張用了無數遍的標準模型的圖再次放出來:

電子、子都是標準模型中的基本粒子,子的質量是電子的200多倍,除此之外,它們倆沒有什麼區別。(好多文章里說子是電子的二表哥,我感覺說子是電子的爹可能更好一點,畢竟不是一代!)

子有磁矩,電子當然也有磁矩。磁矩的形式為:

其中為電荷,為粒子的質量,為光速,為自旋。其實這幾個量並不重要,最有意思的是前面的那個係數,學名叫做「朗德g因子」。傳統的狄拉克理論認為,

,

狄拉克理論是量子場論發展出來之前的一個「經典」理論。然而後來發展起來的量子場論認為,真空並不空!

一個靜止的電子,看似歲月靜好,但實則是風起雲湧!

在電子的激發下,它周圍的空間中會湧現出大量的正反粒子對,又在轉瞬之間消失的無影無蹤!

這樣的過程被稱為「虛過程」,也叫做「量子漲落」,其中被激發出來又轉瞬即逝的粒子,也叫做「虛粒子」。

QCD真空中的量子漲落(圖[1])

雖然有一個「虛」字,但是影響卻是實實在在的!

如果沒有這些虛過程,那麼沒有問題,但是正是由於這些虛過程的存在,使得會偏離2,偏離的部分就叫做「反常磁矩」,並因此定義了

來表示其反常程度,這也是本次實驗測量的物理量。

當然,不同粒子激發虛粒子的能力也不同,質量越大的粒子,就能激發越重的虛粒子,實際上,這種能力跟粒子質量的平方成正比,因此子的激發能力是電子的40000多倍!

當然,激發能力弱,我們對電子反常磁矩的理論計算就會容易很多,因為只需要考慮很簡單的激發情況就能保證足夠的精度,目前,電子反常磁矩的理論計算值是[2]:

而實驗測量結果為:

二者在小數點後第11位都保持相同!!!

這無疑是量子電動力學(量子場論版本的電磁理論)的巨大成功,這也使得量子電動力學成為人類有史以來最為精確的理論了(沒有之一)。

然而,當計運算元的反常磁矩的時候就沒有這麼容易了,它周圍會有更多更重的虛粒子被激發出來,對於電子沒有什麼影響的粒子,此時就變得很重要!

本次實驗結果

子反常磁矩的理論預測為:

而整合最新的數據後,實驗結果為:

在小數點後第8位開始出現差距!這一差距讓大家不得不認真對待。

2、新物理在哪?

我們先不去考慮可能的實驗測量的不足,或者理論計算中可能的錯誤,而是看一下這個結果可能帶來的意義,也就是新物理。正是看到了這一點,本次的結果才會引起物理學界的廣泛關注。

可以說,標準模型是物理最偉大的成就之一,但是建立這麼多年之後,人們也慢慢看膩了,實際上,目前大家普遍認為,標準模型並不「標準」,宇宙中還有新的現象沒法解釋,還有新的粒子沒有被發現。

那麼,超出標準模型的新物理、新粒子到底在哪呢?本次子的結果或許能提供一定的指導。

上面說了,子激發虛粒子的能力比電子強很多。原則上說,只要是自然界中存在的基本粒子,都會被激發,只是程度強弱的問題。而標準模型理論計算比實驗小,就暗示自然界中還存在一些沒有被發現的新粒子

而對新粒子的探索也不完全是空穴來風。目前,根據天文學觀測,宇宙中普通的可見物質,只佔到了宇宙總成分的5%,另外還有27%的看不見摸不著的暗物質,以及68%左右的暗能量。

我們對暗物質的觀測主要來自於天文觀測中的引力效應,但是對於構成暗物質的粒子,也就是暗物質粒子,完全沒有頭緒。暗物質對普通物質沒有明顯的影響(除引力外),因此不參與電磁相互作用以及強相互作用,或許參與弱相互作用,也或許不參與。理論上會構建很多具體的模型來探討暗物質可能的性質,甚至還會有引入第五種相互作用力!

對於新粒子的理論探索有很多,其中有一個大家比較熟悉的理論,超對稱模型,是對標準模型的一個推廣,認為標準模型中的每一個粒子都伴隨著一個超對稱粒子,由於宇宙演化過程中發生的某種對稱性自發破缺,使得超對稱粒子質量變得很重很重,因此很難被發現。

超對稱模型示意圖。鏡子外面的是普通粒子,鏡子裡面的是超對稱粒子。

人們在太空中、地底下以及對撞機中,通過各種辦法尋找超對稱粒子、暗物質粒子的蹤跡,但是遺憾的是,到目前為止,沒有任何實驗能夠給出確鑿的證據說這些粒子存在!

如果把這些信息都放到一起,就很容易理解物理學家們的興奮了。此次子的結果如果能夠被確認,那麼對於下一步高能物理的發展方向、探索超出標準模型的新物理提供重要指導。若有幸真的與暗物質能扯上關係,那麼這將會大大增加我們對宇宙的認知,畢竟宇宙中暗物質的含量是普通可見物質的五倍還多!

3、精細測量的意義

對於這次本次測量的結果,以及理論與實驗不斷增加的精度,有人也提出了異議,認為這樣高的精度是沒有必要的。

但如果對物理學史有所有了解的話,就明白物理學中有不少重大發現都是源於精度的提高!或者說,源於理論與實驗的不同!

海王星的發現。人們在發現天王星之後,開始測量其運動軌道,可是,觀測了一個時期以後,卻發現天王星是一個「性格很彆扭」的行星。因為別的大行星都循著科學家推算出來的軌道繞太陽運行,只有天王星有點不安分,它在繞太陽運行的時候,老是偏離它應走的路線[3]。行星之間的萬有引力會影響他們的軌道,經過仔細計算之後,推算,太陽系中還存在另一顆沒有被發現的行星,影響了天王星的運動軌跡。1846年9月23日,德國天文學家伽勒用望遠鏡看到了法國天文學家勒威耶和英國天文學家亞當斯同時獨立地用天體力學理論所算出的一個當時尚未發現的新行星,這就是海王星[3]。

水星進動。按照牛頓萬有引力定律,行星繞太陽運動軌跡是一個封閉的橢圓,不會發生變化。但是對水星運動軌跡的精確測量發現,它的軌道在逐漸變化,長軸也在緩慢的轉動,即進動現象,速率為每百年1°33′20",然而根據牛頓理論計算得到結果為每百年1°32′37",即使考慮了其它行星帶來的影響,理論依然與實驗不相符。這最早是在1859年被法國天文學家勒維耶發現。直到廣義相對論建立起來之後,這一現象才被很好地解釋,水星進動問題也是驗證廣義相對論的主要現象之一。

實際上,當下和未來也有許多量需要進一步的精確測量:

萬有引力常數。對電磁相互作用我們能測得很精確(比如電子磁矩),那麼引力自然地也要測得精確一點。其中萬有引力常數其中很關鍵的量,對這一量的精確測量一直在持續,但是由於萬有引力本身很弱,因此測量誤差一直很大。很多不同實驗結果也有明顯差距。相對於電磁力的精確結果,可以說,我們對萬有引力了解的很粗糙。

2000年之後部分測量的結果(圖[4])

希格斯粒子。2013年發現希格斯粒子可以說標準模型的巨大成功,但是我們對希格斯粒子的了解幾乎只有「存在希格斯粒子,質量為125GeV」,它的很多細節和性質我們並不怎麼了解,甚至都不知道它是不是基本粒子。作為標準模型中費米子質量的來源,我們理應對其有更進一步的認知。而這也是新物理的發展方向之一,即建造希格斯粒子工廠,精確測量希格斯性質。當然,這就需要建造新的大型對撞機,中國正在推進的CEPC就是其中之一,我想很多人對此都有了解。

位於歐洲核子中心的大型強子對撞機LHC一角

當然,理論與實驗室相輔相成的。實驗的精確測量離不開理論精確計算的驗證,而理論的結果又離不開實驗的驗證。真理永遠在小數點後一位。實際上,理論的精確計算並不容易,涉及到的精度越高,所需要的算力也就越大。目前這種級別的計算是需要使用超級計算機的,而且計算時間也要按月來算。

4、總結

這次結果不是最新的,實際上20年前就已經發現了子反常磁矩理論與實驗的差距,而此次的數據進一步強化了這個結果。但是,現在還不能過於興奮,因為畢竟結果還沒有到5,實驗結果出錯的概率並不太小,還需要耐心等待費米實驗室未來幾年進一步的結果。如果被確認,到那時再興奮也不遲。

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