朗讀物理界的大事：一個微小的、搖晃的µ子撼動了粒子物理學的核心第物理界的大事：一個微小的、搖晃的µ子撼動了粒子物理學的核心

《物理界的大事：一個微小的、搖晃的µ子撼動了粒子物理學的核心》

一個微小的、搖擺不定的μ介子剛剛把粒子物理震動到了它的核心
這是費米實驗室g-2實驗所用設備的俯視圖。該實驗使用μ介子束線、電子機架和冷卻到零下450華氏度(零下267攝氏度)的超導磁存儲環來研究介子的抖動。(圖片來源:Reidar Hahn/費米實驗室)。
其中之一的備受矚目的粒子物理學實驗結果出來了，它們可能將會實現每個研究人員心中最狂熱的夢想:因為它們可能將會打破我們印象中的物理學。
芝加哥附近的費米國家加速器實驗室出示的證據表明，一種被稱為μ介子的微小亞原子粒子的擺動遠超過理論預測。據物理學家所說，最好的解釋是μ介子是被物理中完全未知的物質和能量所推動。
如果這些結果是真的，那麼這一發現則代表了粒子物理學領域五十年內從未降臨過的一種突破。五十年前解釋亞原子粒子的主導理論首次被提出——μ介子的微小擺動是由其內部磁場或磁矩與外部磁場的相互作用產生。據此，如今的發現可能會動搖科學的基礎。
Muon g-2實驗的聯合發言人、意大利國家核物理研究所的物理學家Graziano Venanzoni在一份聲明中說:“今天是非同尋常的一天，對這一天的到來我們和整個國際物理界都熱切期盼了很久。”
μ介子有時被稱為“胖電子”。外表上與它們廣為人知的近親相似，但重量卻是它們的兩百倍，且放射性不穩定。μ介子僅在百萬分之一秒都不到的時間內就會衰變為電子和微小如幽靈般的不帶電粒子，即中微子。μ介子還有一種自旋的特性。當它們與電荷結合時，它們的行為便會如微小的磁鐵。當它們落於磁場中時便會像小型陀螺儀一樣擺動。
今天的結果源自於一個實驗。在此實驗中物理學家讓μ介子繞超導磁環旋轉，實驗結果似乎表現出μ介子的擺動遠超其應有的頻率。該研究領域的科學家表示，此實驗結果唯一的解釋就是該粒子的存在還不能夠用來解釋所有亞原子的方程組來解釋，這個方程組即所謂的標准模型。這種模型自20世紀70年代中期以來一直沒有改變。此模型認為這些外來的奇異粒子與其帶來的能量將推動和拉扯環內的μ介子。
費米實驗室的研究人員非常確定他們所看到的額外的抖動是一種真實的現象，而不是統計上的偶然現象。因為他們在“4.2西格瑪”的置信度上增加了一個數值數值，使其非常接近粒子物理學家宣布的重大發現——5西格瑪閾值。(5西格瑪的結果表明，它發生的幾率是350萬分之一。)
肯塔基大學的物理學家Renee Fatemi和Muon G-2實驗的模擬管理者在一份聲明中說：“我們測量的這個量反映了μ介子與宇宙間其他物質的相互作用。但是，當理論家使用標准模型中所有已知的力和粒子來計算相同的量時我們得到的答案卻不相同。這有力地證明μ介子對我們標准領域裏不存在的物質是相當靈敏的”
然而，一個獨立研究團隊發表於《自然》雜志上的一項競爭性計算可能會剝奪這種粒子抖動的重要性。據這個團隊計算，在預測μ介子搖擺運動的方程中最不確定項的值更為龐大。實驗結果與預測結果完全一致，這代表粒子追蹤領域長達二十年的努力可能都是徒勞的。
以上那篇發表在《自然》雜志的論文其研究團隊的負責人-----賓夕法尼亞州立大學物理學教授佐爾坦·福多爾(Zoltan Fodor)在一份聲明中說道“如果我們的計算是正確的並且新的測量數據沒能改變這個故事的結局，那證明我們幾乎不需要任何新的物理學來解釋μ介子是否嚴格遵循標准模型控制的這項磁矩。”
但Fodor補充說，鑒於他團隊的預測是基於不盡相同的計算和非常不同的假設，所以他們的結果還遠遠不能確定。為此他表示:“我們的發現意味著之前的理論結果和我們新結果之間存有矛盾，但這種矛盾應該得到理解。此外新的實驗結果可能接近舊的結果，又或者更接近先前的理論計算。這代表著未來還有很長一段令人心悸的歲月等待著我們去發掘。”
從本質上講，物理學家只有先能確認現有的17個標准模型粒子如何與μ子相互作用，才能最終確定全新的粒子是否在拉扯μ子。直到有一種理論能夠被最終確認，否則物理學將無法維持其相對的平衡。
BY: livescience
FY: 孟凡鈺
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