可能動搖科學基礎,新實驗表明標準模型無法解釋緲子磁矩行為

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 08 日 19:11 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


在美國費米實驗室一場眾所矚目的實驗中,緲子(μ 子)出現的奇怪行為,可能強烈暗示有另一種奇異粒子或自然力的存在,超出標準模型解釋範圍。

緲子(muon,μ 子)是一種帶負電荷且具自旋特性的粒子,也就是說它們的行為像磁鐵一樣具有正負極,處於磁場中會嘗試與磁場的軸對齊而開始旋轉,然而緲子在磁場中的旋轉取決於它與其他粒子及作用力的相互作用,通常自旋軸無法與磁場對齊而是圍繞磁場軸擺動,物理學家以 g 值(g factor)數字來表示粒子的磁矩和旋磁比。

透過粒子物理學標準模型,研究人員可以非常精確地預測這個數字應該是多少,約為 2.002331,與電子的自旋 g 值(gs 值,約等於 2.002319)有細微差異。

然而 2006 年時,紐約布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)發表的實驗結果(整體實驗於 2001 年結束),居然與理論預測值背道而馳:緲子的旋轉速度比預期中還要快,雖然該次結果的統計意義不足以證明標準模型有誤,但依然埋下了隱憂。

最近,美國費米實驗室公布了整個物理學界都期待已久的緲子 g-2(Muon g-2)實驗結果,該實驗室擁有比布魯克黑文國家實驗室更複雜的裝置,科學家期待新結果可以得到與過去不同的答案,沒想到這次實驗居然佐證了 20 年前布魯克黑文國家實驗室的數據,立刻引起各界嘩然。

▲ 費米實驗室的緲子 g-2 實驗第一個分析結果,證實了 20 年前在布魯克黑文國家實驗室進行的實驗結果。

科學家不得不正視我們原以為「異常」的結果,很可能是由虛粒子(virtual particle)的量子力學現象所引起。虛粒子因量子漲落(quantum fluctuation)而出現,然後在瞬間消失,雖然無法直接觀察到,但只要這麼一瞬就可能影響諸如緲子等真實粒子的行為。

雖然虛粒子可以是任何類型的粒子,比如常見的電子或正電子,但我們用來預測緲子的 g 值模型僅包括已知虛粒子的預期效果,也就是說,如果實驗結果與模型相衝突,就表明可能存在超出標準模型的其他粒子,甚至說有未知自然力來控制這些粒子也不為過。

或許從不同角度來看會發現背後還是同一套物理學,但也可能象徵標準物理學必須被顛覆,這次實驗依然沒有足夠數據可證明標準模型出錯,不過費米實驗室還有一大批數據未分析,這次僅分析了全部數據的 6%,最終結果如何不得而知,這次實驗的一系列論文正在接受同行評審。

不過,在費米實驗室發表結果的當天,美國賓州州立大學團隊另一篇論文發表在《自然》期刊,他們使用不同技術來計算緲子磁矩,得到的答案與費米實驗室不同,後者表明結果與標準模型沒有差異,也沒有新的物理。

(圖片來源:美國費米實驗室