可能动摇科学基础,新实验表明标准模型无法解释缈子磁矩行为

在美国费米实验室一场众所瞩目的实验中,缈子(μ子)出现的奇怪行为,可能强烈暗示有另一种通用粒子或自然力的存在,超出标准模型解释范围。

缈子(muon,μ子)是一种带负电荷且具自旋特性的粒子,也就是说它们的行为像磁铁一样具有正负极,处于磁场中会尝试与磁场的轴对齐而开始旋转,然而缈子在磁场中的旋转取决于它与其他粒子及作用力的相互作用,通常自旋轴无法与磁场对齐而是围绕磁场轴摆动,物理学家以g值(g factor)数字来表示粒子的磁矩和旋磁比。

通过粒子物理学标准模型,研究人员可以非常精确地预测这个数字应该是多少,约为2.002331,与电子的自旋g值(gs值,约等于2.002319)有细微差异。

然而2006年时,纽约布鲁克黑文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)发布的实验结果(整体实验于2001年结束),居然与理论预测值背道而驰:缈子的旋转速度比预期中还要快,虽然该次结果的统计意义不足以证明标准模型有误,但依然埋下了隐忧。

最近,美国费米实验室公布了整个物理学界都期待已久的缈子g-2(Muon g-2)实验结果,该实验室拥有比布鲁克黑文国家实验室更复杂的设备,科学家期待新结果可以得到与过去不同的答案,没想到这次实验居然佐证了20年前布鲁克黑文国家实验室的数据,立刻引起各界哗然。

费米实验室的缈子g-2实验第一个分析结果,证实了20年前在布鲁克黑文国家实验室进行的实验结果。

科学家不得不正视我们原以为“异常”的结果,很可能是由虚粒子(virtual particle)的量子力学现象所引起。虚粒子因量子涨落(quantum fluctuation)而出现,然后在瞬间消失,虽然无法直接观察到,但只要这么一瞬就可能影响诸如缈子等真实粒子的行为。

虽然虚粒子可以是任何类型的粒子,比如常见的电子或正电子,但我们用来预测缈子的g值模型仅包括已知虚粒子的预期效果,也就是说,如果实验结果与模型相冲突,就表明可能存在超出标准模型的其他粒子,甚至说有未知自然力来控制这些粒子也不为过。

或许从不同角度来看会发现背后还是同一套物理学,但也可能象征标准物理学必须被颠覆,这次实验依然没有足够数据可证明标准模型出错,不过费米实验室还有一大批数据未分析,这次仅分析了全部数据的6%,最终结果如何不得而知,这次实验的一系列论文正在接受同行评审。

不过,在费米实验室发布结果的当天,美国宾州州立大学团队另一篇论文发布在《自然》期刊,他们使用不同技术来计算缈子磁矩,得到的答案与费米实验室不同,后者表明结果与标准模型没有差异,也没有新的物理。

(图片来源:美国费米实验室)

发表评论