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  反常的缪子:新物理是不是到来?

  中国新闻周刊记者/霍思伊

  发于2021.4.19总第992期《中国消息周刊》

  这是一场跨越5000多公里的冗长又胆大妄为的观光——6月24日,从纽约长岛动身,前是沿着米国东海岸向北到达佛罗里达的顶角,然落后入朱西哥湾,这就花了一个月,然后沿着田纳西-汤比格比火路向长进入稀西西比河,伊利诺伊河和德斯普兰斯河,在7月20日达到伊利诺伊州的口岸。一辆经过特殊改革过的卡车曾经等待在船埠,7月26日清晨4时7分,在好国费米国家加速器实验室门前的草坪上,3000人举起了脚,欢送“它”的到来。

  它是一个重700吨、宽约15米的宏大超导磁环,在2013年炎天,以“尽量坚持精度”的奇特方法从纽约的布鲁克海文国家实验室运输到费米。经过连续串庞杂的调试后,这套装备于2018年开始正式运行。费米独有的强盛加速器络绎不绝地为磁环注入一种特别的粒子——缪子(μ子),就像电子一样,它在磁环中进行着一种远似地球缭绕太阳的运动,既自转又公转,不外自转的标的目的不断偏离,直到衰变出一个电子——而它,有可能成为解码人类和宇宙神秘的钥匙,并表示着“新物理”的到来。

  2021年4月7日,费米国度加快器实验室(简称费米实验室)发布,缪子反常磁矩实验的一期数据剖析显著,缪子在绕磁环活动时有一个较年夜的摇晃幅度,和标准模型盘算出的预测情形不符。

  这激起了物理学界的震荡。在4月7日的宣布会上,费米实验室缪子反常磁矩实验的担任人克里斯·波莉说,发生这种偏差一定是出了什么问题,可能有一些隐蔽的货色在施展作用。它们是什么?可能是一种新粒子或第五种作用力,也可能缪子内部还有更深入的结构。

  这些预测全体使人非常高兴,因为它们都指向了一种超出标准模型之外的新物理。

  极小的偏偏差

  标准模型是人类今朝能找到的最精确的对微不雅天下的解释,是全部粒子物理学的基础,描写了构建宇宙的基础粒子和彼此作用。迷信家认为,世界是由17种根本粒子形成,缪子是此中一种。它是电子的表亲,品质是电子的207倍,可以简略懂得成“更肥的电子”,除此之外其余性子都雷同:皆带一个单元电荷(正或背),自旋为1/2,也就是转两圈后,会回到初初状况。

  1936年,物理学家在宇宙射线中发现了缪子的存在。当太阳扔射出来的高能质子进上天球时,与外层大气发生碰撞,产生了缪子,它以光速冲向空中,脱透力很强,可以深刻2700米的岩层之下。

  从发明以来,缪子一曲有一些无奈说明的奇异景象,比方磁矩的误差。缪子会像陀螺一样自转,正在这个过程当中本身会产死磁场,磁矩便反映磁场的度量。理论物理教家以为,不管电子仍是缪子,将磁矩禁止某种牢固的除法运算后会获得一个常数比值,也就是g因子,依照尺度本相,g应当是2.……能够始终准确到小量灭火11位,当心试验中收现,缪子的g果子总会跟实践猜测值发生必定偏向,g-2反应的就是那个误差。这类磁矩上呈现的变态,就是缪子反常磁矩题目。

  这种偏差实在很渺小,要一直读到小数点后七位才会发现,但在微观粒子世界,任何预测之外极小的变化背地,都可能暗藏着足以震动整个物理学界的发现。缪子磁矩反常之所以如斯重要,是因为一旦确认,就足以攻破暂经检修的标准模型。粒子物理学在20世纪70年月树立了散大成的标准模型理论之后,此前任何发现都没有超出这个模型。无论是经由过程大型强子对碰机(LHC)等减速器,还是在一些用于寻觅暗物质的探测实验中,贪图模型之外的摸索都失利了。

  但物理学家们信任,标准模型近远不是完善的,在模型之外,一定存在着另一个更宽大的、已知的世界。标准模型属于量子场论,只包括了三种基本作用力:电磁力、强相互作用力取强相互作用力,但没有描述到让苹果失落到牛顿头上的引力。而在量子力学出生之前,人们理解这个世界的核心就是引力。另一方面,标准模型也无法解释暗物质的存在。我们看到的每件事物都是与光发生了相互作用,但这些物资的能量只占宇宙中总能量的4%,更广袤的宇宙是阴郁的,由暗物质构成,它们既不吸支光,也不发射光,人类目前还没有发现任何一个暗物质粒子。

  为懂得释这些现象,物理学家试图开辟“新物理”的边境,寻觅标准模型除外的物理。有一些迹象表了然新物理的存在,个中一个是1998年发现的中微子振荡,另外一种就是缪子的磁矩反常。

  在研究缪子的过程中,一开始,人们并不感到是理论出了问题,而认为是计算不敷精确,好比,不考虑到量子涨落。上海交通大学粒子物理教学李亮是此次实验的中心参加人员之一。他对《中国新闻周刊》解释,真空不是空的,时空像泡沫一样,有大批的虚构粒子存在,它们会在某个瞬间忽然出现,又突然消散,因难堪以捕获,所所以虚的,这就是量子涨降,这又会对缪子的磁场产生干扰。基于此,实验人员对计算进止了修改,最开始是一阶建正,只斟酌光子的干扰,尔后另有二阶修正、三阶修正,也就是排除更多粒子的干扰,如W、Z玻色子,希格斯玻色子等。

  但科学家们很快发现,即便消除了这些干扰,实验测出的缪子磁矩依然存在反常。从1930年月起,分歧的实验结果接踵印证了这种反常,但受限于精度问题,人们对自己的发现其实不自疑,直到米国布鲁克海文国家实验室在2006年绝对明确地提出了这个现象。而费米实验室的发当初布鲁克海文的基本上更进一步,不只提高了测量精度,一期数据的分析成果也将论断的“有用性”进步到了4.2σ,这是在统计学上的意思,也就是4.2倍标准方差。

  李亮指出,这是一个异常无力的证据,4.2σ,就是出现统计误差的概率只有四万分之一,换句话说,这个发现有99.99%的概率是准确的。但科学界更谨严,按划定,只有标准方差到达5σ,才称得上是一个“发现”,也就是保障实验只有350万分之一的概率犯错。但目前这只是一期结果,分析的是2018年的运转数据,还有2019、2020年的二期、三期数据,其数据量将会是一期的7倍,最快将于一年后颁布。“我有充足的信念,之后两期的数据分析出来后,会有很大的概率达到5σ,这象征着,不是由于计算问题,也不是因为测量精度不够,在进行各种高阶修正之后,缪子的磁矩和标准模型的预测值仍存在一点点偏差。”他说。

  新物理能否到去?

  在费米实验室,逾越了5100多千米的巨型超导铁磁环在撤往了专为运输设想的白黑金属罩后,显露了外面的蓝色超导线圈。这些线圈可以产生1.45特斯推的磁场,约为地球磁场的30000倍。实验室的超强度子减速器以均匀每秒11.4次的频次将10~12个质子构成的质子束团一直加快、衰变天生3.094GeV能量的缪子束团。缪子束团被射进铁磁环后,开端以濒临光速的速度一圈又一圈地运动,在绕了多少千圈后,每一个缪子会衰变出一个电子,这些电子被探测器检测出来。实验职员经过提与电子的信息,可以失掉衰变前缪子的磁矩。在这个过程中,缪子像一个自身一直扭转的陀螺,自转轴不断偏离最后的偏向。陀螺正了。

  这是一个非常精美而简练的实验,也是一个很典范的实验道理。从1960年代起,不同实验室在测量缪子反常磁矩时都是采用这个计划。李亮指出,费米实验室在进行实验时,实验道理与布鲁克海文相同,但在精度上作了很大改进。费米实验室可以输入米国强度最大的缪子源,其缪子束流强度是布鲁克海文实验的10倍,最末的数据量会达到布鲁克海文的20倍。并且,之所以采用已有的磁环,是因为在这个实验中,磁场的平匀非常症结。如果重生一个新的,其平均程度不会像已应用过的电磁环这么完美,还要花大量时间重新校准。

  李亮还表现,探测器的敏锐度尤其主要,费米实验的探测器是齐新的,采取了一种会发光的氟化铅晶体,它的出产线就在中国,由中科院上海硅酸盐研讨所和上海交大结合研发。一圆里,氟化铅晶体的呼应时光十分快,可以在短时间内做屡次丈量,其次是粗度很下,且可以更好天削减对付磁场的烦扰。

  多年来,测量精度不敷高,一直是物理学界对本人的发现不自负的主要起因之一。由测量带来的偏差包括统计误好和系统误差两种,布鲁克海文实验的体系误差是0.28ppm(千非常之发布面八),费米实验室经由过程改良硬件和技巧,将这个误差下降到了0.16ppm,这是一个很大的跃迁。而在统计误差上,布鲁克海文是0.46ppm, 费米是0.43ppm。

  在如此高精度的配景下,得出了一个非常有盼望的发现当前,现在,人们要思考的是,陀螺为何歪了?

  在李亮看来,今朝学界有两种主要的猜想。一种是出现了标准模型之中的新的基本粒子。对此很轻易理解,因为当缪子在电磁环中出有按照预约轨迹运动时,一定有一个外界力气干扰,这多是一些人类现在还无法不雅测到的全新粒子,因为和这些粒子发生了互相作用,使缪子的轨迹出现了偏差。以是接下来就要答复,这个新粒子从哪来的?它有甚么性质?它和标准模型基本粒子的关联是什么?

  第二种可能性是,缪子不再是弗成分的点粒子,外部还有微观构造,这些内部粒子可能在一定前提下发生相互作用,从而在全体上硬套了缪子的磁矩。

  中科院院士、中科院高能物理所所少王贻芳对《中国新闻周刊》指出,现在道这些还为时髦早,起首,费米实验最后的4.2σ是在总是了布鲁克海文实验的数据后得出的。如果单看费米一个实验的结果,得出的标准方差是 3.3σ, 比布鲁克海文昔时的数据3.7σ还要小,目前还不确定之后的结果会让这个数字变得更大,还是更小了。在从前的粒子物理近况中有许多例子,本来的统计数字是3点多,厥后却降落了。即使到了5,也要检验这个数字是可充足精确。

  王贻芳还表示,除这种不确定性以外,也无法排除是否可能理论计算出现了误差,才形成目前的结果。并且,理论计算在相称大的水平上也应用了一些此前已有的实验数据,实验数据自身也须要再检讨。

  在这个实验中,最要害的环顾是把实验数据和理论计算数据进行对照,理论计算是根据标准模型来预测,但由于缪子的不稳固性,在计算时有较大的不确定性,在1968年就发生过相似的事件。其时,欧洲核子核心的实验物理学家得出一个和理论计算存在1.7σ差异的结果,后来发现出现偏差是理论计算出了问题,修复过错后,理论和实验结果符合得很好。2016年,来自寰球82个机构的132名顶级理论物理学家组成了同盟,分红分歧组自力进行计算,终极告竣共鸣,理论预测出来的g是2.。费米实验室的测量结果就是和这个数字进行比拟。

  李明指出,在缪子和四周实粒子发生感化而带来的各类变更中,计算不肯定性的一个重要身分是强子真空极化效答,固然这只要很小的几率产生。当缪子在传布时,可能会霎时发射出一个光子,光子会衰酿成强子和反强子,强子和反强子又敏捷变回光子,而后再被缪子从新接收。这个过程被称为强子实空极化。这个现象很难进进标准模型的计算中,由于强子不是伶仃涌现,数目良多,像粒子云一样,这旁边发生的各类感化很易正确预测。

  但假如经由测验以后,最后证实这个反常确切存在,王贻芳道:“这将是咱们第一次无比明白地看到超越标准模型的实验现象。”

  不过,上海交通大学粒子与核物理研究所副所长刘江来也对《中国新闻周刊》夸大,即使果然可能存在新粒子,这种新粒子究竟是什么,按现有的各种模型会有非常多的可能,比如超对称模型,暗物质模型等,物理学界要先确定哪种模型更靠近实在,有一个偏向后,再通过对撞机来觅找新粒子。

  “费米真验只给出了直接证据,断定新粒子或第五种做使劲,要有更间接的观察证据。这没有会是一个很快的进程,可能借要行最远。但毫无疑难,这会让新物理背前推动一年夜步,也会拓宽底本的标准模型,接上去,理论物理学家们会很高兴。”刘江来讲讲。

  《中国新闻周刊》2021年第14期

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