新实验结果揭示粒子物理学可能的新方向

物理学家们一直在寻求新的理论,以加深我们对宇宙的理解,并解决许多未解之谜。

但有一个问题:当我们不知道未发现的力量或粒子是什么样子时,我们如何进行搜索呢?

以暗物质为例。我们在宇宙中观察到许多关于这一神秘现象的迹象,但它到底由什么组成呢?

无论暗物质是什么,我们都需要新的物理学来理解其中的奥秘。

根据今天发布的一项新实验结果,以及随之而来的理论计算,我们或许现在拥有了对这种新物理学模样的想法,甚至可能还得到了关于暗物质的一些线索。

在这项探索中,μ子(muon)是一个关键角色。

μ子是与电子(electron)相似,但其质量更大的粒子。在过去的20年里,μ子的磁性存在一个微小的不一致性,这被认为是新物理学的一个最有希望的信号。

当宇宙射线——来自太空的高能粒子——撞击地球大气层时,μ子会被产生。

每秒大约有50个μ子穿过你身体。

μ子比x射线更易穿透固体物质,因此它们在探测大型结构内部时非常有用。

例如,科学家们使用μ子来寻找埃及和墨西哥金字塔中的隐藏空间,研究火山内部的岩浆室以预测火山喷发,以及在福岛核反应堆熔毁后安全查看其内部情况。

在2006年,美国布鲁克海文国家实验室的研究人员测量了μ子磁性的强度,精确度达到了近十亿分之六。

这一精准度相当于测量一辆满载货物的火车的质量为十克。

当研究人员将这个测量结果与同样出色的理论计算进行比较时,发现两者之间存在微小但显著的差异,指向了理论与实验之间的差异。这是否意味着他们终于找到了新物理学的证据?

为了寻找明确的答案,国际科学界启动了一项为期20年的计划,旨在提升这两个结果的精度。

最初的实验中使用的巨大电磁铁被装载到船上,沿美国东海岸向南航行,然后沿密西西比河向北驶入芝加哥,安装在费米实验室进行全面的实验大改造。

今天早些时候,研究人员宣布他们完成了这一实验。

他们最终测得的μ子磁性强度结果达到了4.4倍的精确度,一亿分之一点五。

为了配合这一进展,理论家们也进行了全面改进。

他们组成了μ子g-2理论倡议,这是一项涵盖100多名科学家的国际合作,致力于进行准确的理论预测。

他们计算了μ子磁性的大于1万种因素的贡献,包括2012年才被发现的希格斯玻色子(Higgs boson)。

然而还有一个棘手的难题:强相互作用力,这是宇宙四大基本力量之一。

特别是,从强相互作用力得出的结果中最大贡献的计算并不容易。

由于无法以与其他因素相同的方式计算这一贡献,我们需要一种不同的方法。

因此,在2020年,理论倡议转向了电子与其反物质对应物正电子(positron)之间的碰撞。

对这些电子-正电子碰撞的测量提供了我们需要的缺失值。

将所有部分拼凑在一起,得出的结果与最新的实验测量结果有显著的分歧,这几乎足以宣布新物理学的发现。

与此同时,我正在探索另一种方法。

与布达佩斯-马赛-乌尔普塔尔的合作伙伴一起,我们进行了强贡献的超级计算机模拟。

我们的结果消除了理论与实验之间的紧张关系。

然而,我们现在又面临新矛盾:我们的模拟与经过20年考验的电子-正电子结果之间的矛盾。

这些20年的结果怎么可能是错的呢?

世界各地的物理学家对此进行了广泛研究,展出了一种令人兴奋的建议,即假想粒子“暗光子(dark photon)”。

如果暗光子存在,它不仅可以解释最新的μ子结果与电子-正电子实验之间的差异,还可能解释暗物质与普通物质之间的关系。

然而,考虑到μ子g-2理论倡议已经开始使用仿真结果而非电子-正电子数据,暗物质的线索似乎暂时消失了。

但电子-正电子数据的分歧仍然是一个悬而未决的问题,物理学家们期待能够找到答案。

图片源于:https://theconversation.com/how-physicists-used-antimatter-supercomputers-and-giant-magnets-to-solve-a-20-year-old-mystery-257891