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根据费米实验室最新发布的测量数据，μ 子在磁场中的行为与标准模型的预测不一致。这表明可能存在一些标准模型无法解释的物理现象，甚至可能涉及到一种新的基本作用力。
文 | 乔恩・巴特沃思（Jon Butterworth）
译 | 礼世杰
编 | 陈强
原文刊载于《科学焦点》2024 年第 01 期
在美国芝加哥附近的费米实验室，一个国际科学团队对 μ 子与磁场的相互作用进行了更精确的测量，并于 2023 年 8 月 10 日公布了最新测量结果。
物理学家对这次测量结果充满了期待，主要是因为之前的测量结果与粒子物理学的标准模型存在着显著的差异。对于这一差异，一种可能的解释是，宇宙中存在第 5 种基本作用力。那么，真的存在一种目前尚未发现的基本作用力吗？这次测量结果又能告诉我们什么？
第 5 种基本作用力影响了 μ 子磁矩？
我们知道，自然界中目前已知的基本作用力有 4 种，分别是引力、电磁力、强核力和弱核力。
广义相对论精确地描述了引力，而粒子物理学的标准模型解释了其他 3 种基本作用力。第 5 种基本作用力将超出现有的物理学框架，因此，它的发现将是物理学家探索宇宙本质的一个重大突破。
物理学家一直渴望取得这种突破，因为尽管标准模型可以近乎完美地解释很多物理现象，但它并不是一个完整的“万物理论”。
例如，标准模型还无法解释引力。事实上，广义相对论和标准模型在非常高的能量下是不相容的。对于物理学家来说，任何与理论不符的测量结果都会被视为一种线索，表明可能存在更全面、更有解释力的理论。
费米实验室的测量结果让物理学家感到，这样的突破可能就在眼前。根据标准模型，μ 子是一种基本粒子，也就是说，它是构成物质的基本单位之一。μ 子与电子非常相似，但质量大约是电子的 210 倍。
μ 子除了带有负电荷以外，还有一种内禀的角动量，这种属性称为自旋。根据物理学规律，μ 子会产生一个微小的磁矩，就像一个微型磁针。当 μ 子处于磁场中时，它的磁矩会发生进动，好比旋转的陀螺会发生摇晃一样。μ 子磁矩的大小决定了进动频率的大小。
在费米实验室，物理学家把数十亿个 μ 子送入一个存储环中，利用精确校准的电场和磁场控制它们，这样就可以测量 μ 子在磁场中的进动频率。
μ 子的进动频率可以通过标准模型非常精确地计算出来。计算还涉及到了所谓的“虚粒子”，它们是一种无法被直接探测到的粒子，但会在量子涨落中短暂现身，与 μ 子产生相互作用，从而改变 μ 子的磁矩和进动频率。如果实验的测量结果与标准模型的预测不符，那么，这可能意味着在量子涨落过程中出现了一种未知的粒子。
一种可能是，这个未知粒子是第 5 种基本作用力的媒介粒子。这种新的粒子类似于光子，因为光子就是电磁力的媒介粒子，但这种新粒子并不包含在标准模型的框架内。
来自理论与实验方面的挑战
费米实验室对 μ 子磁矩的最新测量，再次验证了之前的测量结果。而且，这次测量结果的精度更高。然而，在物理学家宣布发现第 5 种基本作用力之前，还有两个重要的问题需要解决。
首先，理论预测方面还存在问题。目前的理论预测值是根据一种被广泛接受的计算方法得出的，然而，还有其他的计算方法也可以给出预测值。这些预测值都不尽相同，有些更接近测量结果。
尽管实验与理论之间的差异可能暗示着存在某种新的物理现象，但在宣布第 5 种基本作用力真的存在之前，物理学家还需要进一步确定理论预测值究竟是多少。
第二个问题更具挑战性，但也更加令人兴奋。如果这种差异得到证实，那么我们就可以确定有一些新的物理现象在起作用，即使我们还不清楚那究竟是什么。
理想情况是，物理学家根据这个差异提出了新理论，而新理论还带来了新预测。如果新理论真的与一种新的基本作用力相关，那这个理论可以告诉我们如何找到携带新的基本作用力的粒子。
问题是，物理学家必须开展一项能直接探测新粒子的实验，才能证明新理论是正确的。就像在 2012 年，物理学家利用大型强子对撞机探测到了希格斯玻色子，证明了彼得・希格斯（Peter Higgs）等人的理论。
其他的一些测量实验，比如在大型强子对撞机上开展的一些实验，也出现了标准模型无法解释的现象。不过，这也是探索过程中难免会出现的问题。有些时候，随着我们获取更多的数据，展开更深入的研究，这些问题往往就会消失。
费米实验室将在不久的将来发布一个更精确的测量结果，而大型强子对撞机也将继续运行并收集更多数据。有了更精确的实验数据，物理学家可以更仔细地分析各种测量结果与理论不符的情况。
不管怎样，μ 子的磁矩是最早也是最明显的一个与标准模型不符的现象。这个测量结果不太可能是错误的。这意味着，如果理论预测问题得到解决，很可能就能表明某种新的、超出标准模型的物理学现象的确存在，甚至可能还存在第 5 种基本作用力。
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