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美國實驗室引爆物理界大地震 新發現超人類理解範圍


2021-04-09 时刻新闻 | 聽新聞 國語 | 聽新聞 粵語 【字號】

4月7日,據國際著名物理期刊《Physical Review Letters》報道,美國費米實驗室發表了壹個非常重要的首批實驗結果:他們發現,壹種叫缪子(muon)的基本粒子在磁場中表現出來的行爲與目前基本粒子標準模型預言的結果有所差別,這壹下子戳到了物理學家的興奮點!因爲這預示着很可能存在超出標準模型的新物理。

超出標準模型有什麽重要的嗎?當然重要!暗物質、暗能量以及如何把萬有引力納入量子力學的框架可能都需要突破標準模型。如果這個發現進壹步確認,那麽這意味着人類幾乎止步不前的基礎物理又向前邁進了壹大步,也預示着打開了壹扇新的窗口,說不定能發現壹個全新的物理世界呢。

值得壹提的是,目前這個發現的精度爲4.2個標準方差,意味着出錯的可能性大約爲四萬分之壹!這還不夠,在物理學上,壹個斬釘截鐵的發現要求精度達到5個標準方差以上。但目前這個階段性成果已足夠令人興奮了,仿佛是正在經曆慢慢長夜的人們看到了黎明前的曙光。

據悉,費米實驗室的第二期和第叁期數據正在分析中。與此同時,新實驗還在進行第四期的取數,接下來還會有第五期的運行。未來,通過分析全部五期的數據,物理學家們能夠得到更加精確的測量結果,從而對新物理的尋找更加充滿信心。

什麽是基本粒子的標準模型?什麽是缪子?

大家都熟悉化學元素週期表,週期表包含了迄今組成世界的元素種類。從人體到高樓大廈,從高山河流到日月星辰都可分解爲已知的元素。

物理學中的基本粒子標準模型更下探壹步,指出不同元素及其同位素隻不過是由原子核中質子數和中子數的不同造成的,而中子和質子則由更小的稱爲“誇克”的基本粒子組成。

總體來講,日常接觸到的物質不外乎由上誇克、下誇克和電子組成。從最基本的層面看,妳和美女沒有差別,都是由誇克和電子組成的。當然,從宏觀層面看,人與人之間當然是不同的,世界上不存在完全相同的兩片樹葉嘛。

那麽,世界上有幾種誇克?有幾種電子?除了誇克和電子外,還有什麽基本粒子呢?物理學家通過分析來自宇宙的高能射線以及在加速器上產生的各種奇奇怪怪的粒子,最終梳理出壹個非常整齊的基本粒子標準模型。

該模型包含了6種誇克:上誇克、下誇克、粲誇克、奇誇克、頂誇克以及底誇克,除了上誇克和下誇克能穩定存在外,其他的誇克產生後很快就衰變掉了,不參與組成我們的世界。

該模型還包含6種輕子:電子、電子型中微子、缪子、缪子型中微子、陶子和陶子型中微子。

除此之外,還包含傳遞電磁相互作用的光子、傳遞弱相互作用的中間玻色子以及傳遞強相互作用的膠子。最後還包含2012年才發現的希格斯玻色子,就是媒體上通常稱謂的“上帝粒子”。

因此,缪子是標準模型中的壹個粒子,其行爲和電子類似,同樣帶壹個單位的電荷和相同的自旋,隻是比電子“更胖”,質量是電子的207倍,可以形象地看作“胖電子”。

數據反常具體表現在哪裏?

由於基本粒子物理離我們生活有點遠,其中牽扯到較多的陌生概念。

用日常生活的語言來講,基本粒子就像電影《盜夢空間》中的小陀螺壹樣,永不停歇地旋轉。我們拿電子爲例,它的自旋會產生壹個對應的磁場,磁場有南北極,因此就有壹個磁矩。如果用經典物理來計算,磁矩與角動量的比值是壹個常數,不妨記作K。但電子是微觀粒子,遵循量子力學定律,用量子力學的計算表明,這個常數爲2K。也就是說,量子計算和經典計算之間相差壹個爲2的因子,物理上稱爲g因子。但用更嚴格的量子場論計算表明,g因子併不嚴格等於2,而是2.002319304362,實驗測定值爲2.002319304361,兩者在小數點後11位都相等,精度令人發指。

對於比電子“胖”的缪子來講,g因子的理論值與實驗值符合得也這麽好嗎?非也!最近的測量表明:缪子g因子爲2.00233184122(82),而理論值爲2.00233183620(86)。理論值與實驗值在小數點後7位就開始出現差異了。

理論是同壹個理論,爲什麽用來處理電子能夠如此好用,用來處理缪子就相對不太好用了呢?因爲缪子更重。

在量子場論看來,真空併不是真的空無壹物,而是充滿了不斷產生和湮滅的虛粒子,這些虛粒子與電子相互作用,導緻了g因子與2的偏離。由於缪子比電子質量更大,它與真空中的虛粒子作用的方式也會不同,容易感受到電子很難感受到的虛粒子種類。

超出標準模型的新物理會是什麽?

如果最終完全確定了這個實驗與理論的偏差,那麽我們會發現什麽新物理呢?這個問題目前尚無定論,可能是壹種新粒子,甚至是壹種傳遞全新相互作用的粒子,那麽這種相互作用是完全獨立於引力、電磁、強力和弱力這四大相互作用的相互作用,或者說是第五種力。如果最終真的是這樣,那麽這個結果將是世紀大發現。

人類已知的四種基本相互作用(力),分別爲:使蘋果下落的萬有引力,讓磁鐵吸引鐵釘的電磁力,約束原子核的強力以及讓粒子發生衰變的弱力。

另外,這個新發現還可以爲我們解開暗物質和暗能量的謎團提供新思路。

因此,缪子g因子的理論值與實驗值的偏差打開了人類窺視新物理的窗口,這是幾十年來物理學家夢寐以求的事情。讓我們期待實驗結果精度的進壹步提高,來壹起見證基礎物理的新突破。



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