物理学“理论决战”时刻来了

来源:参考消息网

参考消息网9月6日报道据美国《纽约时报》网站8月10日报道，物理学家向理论决战迈近了一步。

7月24日，一支庞大的研究团队在利物浦召开会议，公布了一个与缪子(一种亚原子粒子)行为有关的数字，这种粒子有望打开通往新宇宙物理学的大门。

这是缪子g-2合作项目的最新成果，该项目在伊利诺伊州巴达维亚的费米国立加速器实验室(简称费米实验室)进行实验，以研究缪子的异常运动。这一测量结果随后向公众公布，并提交给了《物理评论快报》杂志。这项成果使物理学家更接近弄清楚，宇宙物质和能量的类型是否比已知的更多。

新测量结果与物理学家两年前的计算结果完全吻合，而精度提高了一倍。

麻省理工学院林肯实验室的物理学家汉娜·宾尼说：“这一切都归结为那个数字。”

科学家正在测试标准模型，这是一个涵盖自然界所有已知粒子和力的宏大理论。长期以来，尽管标准模型成功预测了无数实验的结果，但物理学家一直预感其框架并不完整。该理论无法解释引力，也无法解释暗物质(将我们的宇宙黏合在一起的黏合剂)或暗能量(撕扯宇宙的力量)。

研究人员通过许多方法寻找标准模型以外的物理学，其中之一就是研究缪子。缪子是电子的近亲，但比电子更重。缪子很不稳定，在衰变成更轻的粒子之前只能存活两百万分之一秒。将一个缪子放进磁场，它就会像陀螺一样转动。这种转动的速度取决于缪子的“磁矩”特性，物理学家将其缩写为g。

理论上，g应该正好等于2。但物理学家知道，这个值会被虚粒子的“量子泡沫”扰乱。这些虚粒子会短暂出现又消失，阻止真空变为真正的真空。这些瞬态粒子改变了缪子转动的速度。通过计算标准模型中所有的力和粒子，物理学家可以预测g将被抵消多少。他们称这个偏差为g-2。

但如果有未知粒子在起作用，实验测量的g将不符合这一预测。“这就是研究缪子如此令人兴奋的原因，”宾尼博士说，“它对所有存在的粒子都很敏感，即使是那些我们还不知道的粒子。”她补充说，理论与实验之间的任何偏差都意味着，新物理学即将出现。

为了测量g-2，费米实验室的研究人员制造了一束缪子，并将其引入一个直径50英尺(约合15.2米)的环形磁铁中，其内部充满了突然变成现实的虚拟粒子。当缪子绕环形磁铁运动时，边缘的探测器记录下了它们转动的速度。

研究人员使用了400亿个缪子——是2021年研究人员使用数据的5倍，测量到g与2的偏差为千分之一。测量结果的精度为百万分之0.2。弗吉尼亚理工大学物理学家凯文·皮茨说，这就像测量纽约市与芝加哥之间的距离，误差只有10英寸(约合25.4厘米)。

曼彻斯特大学物理学家、缪子g-2合作项目成员亚历克斯·凯沙瓦尔齐说：“这是一项了不起的成就，这是世界上在粒子加速器上进行的最精确的测量。”

芝加哥大学理论宇宙学家、没有参与这项研究的丹·胡珀说：“这些人设法达到的精度令人震惊。”

但测量到的g-2是否符合标准模型的预测还有待确定。这是因为理论物理学家有两种计算g-2的方法——基于不同的方法来计算将质子和中子结合在原子核内的强力。

传统计算方法依赖40年来世界各地进行的强力测量实验。伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的理论物理学家、缪子g-2理论计划的主席艾达·卡德拉说，通过这种方法，只有所使用的数据准确，g-2的预测才会准确。她说，实验限制可能使预测不那么准确。

一种被称为“格点计算”的新技术出现了，它利用超级计算机将宇宙建模为时空点的四维网格。卡德拉博士说，这种方法根本不利用数据。只有一个问题：它生成的g-2预测与传统方法生成的不同。

凯沙瓦尔齐博士说：“没有人知道为什么两者不同，它们应该一模一样。”

凯沙瓦尔齐博士表示，与传统预测相比，最新的g-2测量结果有超过5西格玛的偏差，也就是说，这个结果为侥幸所得的可能性为350万分之一。他补充说，这样的确定程度超出了宣布一项发现所需的水平。(这比早前的测量结果有所改进：2021年，凯沙瓦尔齐博士所在团队的测量偏差为4.2西格玛；世纪之交，布鲁克黑文国家实验室的测量偏差为3.7西格玛。)

但凯沙瓦尔齐博士说，当他们将其与使用“格点计算”的预测进行比较时，没有任何偏差。

皮茨说，在物理学中，实验很少能超越理论，但这是其中一次。

宾尼博士说：“我们都迫不及待地想看看这个理论的讨论结果如何。”物理学家希望到2025年能更好地理解g-2预测。

费米实验室的理论粒子物理学家戈丹·克尔尼亚伊奇指出，如果实验与理论的分歧持续下去，这将是“新物理学的第一个确凿的实验室证据，这很可能是我们第一次打破标准模型”。

在两大理论阵营争论不休之际，实验学家将进一步完善他们的g-2测量。他们需要筛选的数据量是原来的两倍多，一旦包括这些数据，其精度将再提高两倍。利物浦大学的物理学家、缪子g-2实验的负责人之一格拉齐亚诺·韦南佐尼在公布结果的新闻发布会上说：“未来非常光明。”

最新测量结果使物理学家离标准模型的理论决战又近了一步。但即使新物理学被证实存在，也需要做更多的工作来弄清楚它到底是什么。凯沙瓦尔齐博士说，已知的自然法则是不完整的，这一发现将为新一代实验奠定基础，因为它将为物理学家的研究指明方向。

皮茨花了近30年时间来拓展标准模型的界限，对他来说，新物理学的证明既是一个值得庆祝的里程碑，也是在提醒他还有很多工作要做。（编译/刘白云）