一个微小的、摇摆不定的μ介子刚刚把粒子物理震动到了它的核心
这是费米实验室g-2实验所用设备的俯视图。该实验使用μ介子束线、电子机架和冷却到零下450华氏度(零下267摄氏度)的超导磁存储环来研究介子的抖动。(图片来源:Reidar Hahn/费米实验室)。
其中之一的备受瞩目的粒子物理学实验结果出来了，它们可能将会实现每个研究人员心中最狂热的梦想:因为它们可能将会打破我们印象中的物理学。
芝加哥附近的费米国家加速器实验室出示的证据表明，一种被称为μ介子的微小亚原子粒子的摆动远超过理论预测。据物理学家所说，最好的解释是μ介子是被物理中完全未知的物质和能量所推动。
如果这些结果是真的，那么这一发现则代表了粒子物理学领域五十年内从未降临过的一种突破。五十年前解释亚原子粒子的主导理论首次被提出——μ介子的微小摆动是由其内部磁场或磁矩与外部磁场的相互作用产生。据此，如今的发现可能会动摇科学的基础。
Muon g-2实验的联合发言人、意大利国家核物理研究所的物理学家Graziano Venanzoni在一份声明中说:“今天是非同寻常的一天，对这一天的到来我们和整个国际物理界都热切期盼了很久。”
μ介子有时被称为“胖电子”。外表上与它们广为人知的近亲相似，但重量却是它们的两百倍，且放射性不稳定。μ介子仅在百万分之一秒都不到的时间内就会衰变为电子和微小如幽灵般的不带电粒子，即中微子。μ介子还有一种自旋的特性。当它们与电荷结合时，它们的行为便会如微小的磁铁。当它们落于磁场中时便会像小型陀螺仪一样摆动。
今天的结果源自于一个实验。在此实验中物理学家让μ介子绕超导磁环旋转，实验结果似乎表现出μ介子的摆动远超其应有的频率。该研究领域的科学家表示，此实验结果唯一的解释就是该粒子的存在还不能够用来解释所有亚原子的方程组来解释，这个方程组即所谓的标准模型。这种模型自20世纪70年代中期以来一直没有改变。此模型认为这些外来的奇异粒子与其带来的能量将推动和拉扯环内的μ介子。
费米实验室的研究人员非常确定他们所看到的额外的抖动是一种真实的现象，而不是统计上的偶然现象。因为他们在“4.2西格玛”的置信度上增加了一个数值数值，使其非常接近粒子物理学家宣布的重大发现——5西格玛阈值。(5西格玛的结果表明，它发生的几率是350万分之一。)
肯塔基大学的物理学家Renee Fatemi和Muon G-2实验的模拟管理者在一份声明中说：“我们测量的这个量反映了μ介子与宇宙间其他物质的相互作用。但是，当理论家使用标准模型中所有已知的力和粒子来计算相同的量时我们得到的答案却不相同。这有力地证明μ介子对我们标准领域里不存在的物质是相当灵敏的”
然而，一个独立研究团队发表于《自然》杂志上的一项竞争性计算可能会剥夺这种粒子抖动的重要性。据这个团队计算，在预测μ介子摇摆运动的方程中最不确定项的值更为庞大。实验结果与预测结果完全一致，这代表粒子追踪领域长达二十年的努力可能都是徒劳的。
以上那篇发表在《自然》杂志的论文其研究团队的负责人-----宾夕法尼亚州立大学物理学教授佐尔坦·福多尔(Zoltan Fodor)在一份声明中说道“如果我们的计算是正确的并且新的测量数据没能改变这个故事的结局，那证明我们几乎不需要任何新的物理学来解释μ介子是否严格遵循标准模型控制的这项磁矩。”
但Fodor补充说，鉴于他团队的预测是基于不尽相同的计算和非常不同的假设，所以他们的结果还远远不能确定。为此他表示:“我们的发现意味着之前的理论结果和我们新结果之间存有矛盾，但这种矛盾应该得到理解。此外新的实验结果可能接近旧的结果，又或者更接近先前的理论计算。这代表着未来还有很长一段令人心悸的岁月等待着我们去发掘。”
从本质上讲，物理学家只有先能确认现有的17个标准模型粒子如何与μ子相互作用，才能最终确定全新的粒子是否在拉扯μ子。直到有一种理论能够被最终确认，否则物理学将无法维持其相对的平衡。
BY: livescience
FY: 孟凡钰
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