反常的繆子：新物理是否到來？

霍思伊

停在碼頭的巨型超導(dǎo)鐵磁環(huán)。圖/費米實驗室

這是一場跨越5000多公里的漫長又小心翼翼的旅行——6月24日，從紐約長島出發(fā)，先是沿著美國東海岸向南到達佛羅里達的頂角，然后進入墨西哥灣，這就花了一個月，然后沿著田納西-湯比格比水路向上進入密西西比河，伊利諾伊河和德斯普蘭斯河，在7月20日到達伊利諾伊州的港口。一輛經(jīng)過特殊改造過的卡車已經(jīng)等候在碼頭，7月26日凌晨4時7分，在美國費米國家加速器實驗室門前的草坪上，3000人舉起了手，歡迎“它”的到來。

它是一個重700噸、寬約15米的巨大電磁環(huán)，在2013年夏天，以“盡可能保持精度”的獨特方式從紐約的布魯克海文國家實驗室運輸?shù)劫M米。經(jīng)過一連串復(fù)雜的調(diào)試后，這套設(shè)備于2018年開始正式運行。費米特有的強大加速器源源不斷地為電磁環(huán)注入一種特殊的粒子——繆子（?子），就像電子一樣，它在電磁環(huán)中進行著一種近似地球圍繞太陽的運動，既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，不過自轉(zhuǎn)的方向不斷偏離，直到衰變出一個電子——而它，有可能成為解碼人類和宇宙奧秘的鑰匙，并暗示著“新物理”的到來。

2021年4月7日，費米國家加速器實驗室（簡稱費米實驗室）宣布，繆子反常磁矩實驗的一期數(shù)據(jù)分析顯示，繆子在繞電磁環(huán)運動時有一個較大的搖擺幅度，和標(biāo)準(zhǔn)模型計算出的預(yù)測情況不符。

這引發(fā)了物理學(xué)界的震蕩。在4月7日的發(fā)布會上，費米實驗室繆子反常磁矩實驗的負責(zé)人克里斯·波莉說，發(fā)生這種偏差一定是出了什么問題，可能有一些隱藏的東西在發(fā)揮作用。它們是什么？可能是一種新粒子或第五種作用力，也可能繆子內(nèi)部還有更深入的結(jié)構(gòu)。

這些猜測全部令人非常興奮，因為它們都指向了一種超出標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新物理。

極小的偏差

標(biāo)準(zhǔn)模型是人類目前能找到的最精確的對微觀世界的解釋，是整個粒子物理學(xué)的根基，描述了構(gòu)建宇宙的基本粒子和相互作用?？茖W(xué)家認為，世界是由17種基本粒子構(gòu)成，繆子是其中一種。它是電子的表親，質(zhì)量是電子的207倍，可以簡單理解成“更胖的電子”，除此以外其他性質(zhì)都相同：都帶一個單位電荷（正或負），自旋為1/2，也就是轉(zhuǎn)兩圈后，會回到初始狀態(tài)。

1936年，物理學(xué)家在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了繆子的存在。當(dāng)太陽拋射出來的高能質(zhì)子進入地球時，與外層大氣發(fā)生碰撞，產(chǎn)生了繆子，它以光速沖向地面，穿透力很強，可以深入2700米的巖層之下。

從發(fā)現(xiàn)以來，繆子一直有一些無法解釋的奇怪現(xiàn)象，比如磁矩的偏差?？娮訒裢勇菀粯幼赞D(zhuǎn)，在這個過程中自身會產(chǎn)生磁場，磁矩就反映磁場的量度。理論物理學(xué)家認為，無論電子還是繆子，將磁矩進行某種固定的除法運算后會得到一個常數(shù)比值，也就是g因子，按照標(biāo)準(zhǔn)模型，g應(yīng)該是2.00231930436……可以一直精確到小數(shù)點后11位，但實驗中發(fā)現(xiàn)，繆子的g因子總會和理論預(yù)測值產(chǎn)生一定偏差，g-2反映的就是這個偏差。這種磁矩上出現(xiàn)的反常，就是繆子反常磁矩問題。

這種偏差其實很微小，要一直讀到小數(shù)點后七位才會發(fā)現(xiàn)，但在微觀粒子世界，任何預(yù)測之外極小的變化背后，都可能隱藏著足以震蕩整個物理學(xué)界的發(fā)現(xiàn)?？娮哟啪胤闯Ｖ匀绱酥匾?，是因為一旦確認，就足以打破久經(jīng)檢驗的標(biāo)準(zhǔn)模型。粒子物理學(xué)在20世紀70年代建立了集大成的標(biāo)準(zhǔn)模型理論之后，此后任何發(fā)現(xiàn)都沒有超出這個模型。無論是通過大型強子對撞機（LHC）等加速器，還是在一些用于尋找暗物質(zhì)的探測實驗中，所有模型之外的探索都失敗了。

但物理學(xué)家們相信，標(biāo)準(zhǔn)模型遠遠不是完美的，在模型之外，一定存在著另一個更廣大的、未知的世界。標(biāo)準(zhǔn)模型屬于量子場論，只囊括了三種基本作用力：電磁力、強相互作用力與弱相互作用力，但沒有描述到讓蘋果掉到牛頓頭上的引力。而在量子力學(xué)誕生之前，人們理解這個世界的核心就是引力。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)模型也無法解釋暗物質(zhì)的存在。我們看到的每一件事物都是與光發(fā)生了相互作用，但這些物質(zhì)的能量只占宇宙中總能量的4%，更廣袤的宇宙是黑暗的，由暗物質(zhì)組成，它們既不吸收光，也不發(fā)射光，人類目前還沒有發(fā)現(xiàn)任何一個暗物質(zhì)粒子。

為了解釋這些現(xiàn)象，物理學(xué)家試圖開拓“新物理”的疆域，尋找標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理。有一些跡象表明了新物理的存在，其中一個是1998年發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩，另一種就是繆子的磁矩反常。

在研究繆子的過程中，一開始，人們并不覺得是理論出了問題，而認為是計算不夠精確，比如，沒有考慮到量子漲落。上海交通大學(xué)粒子物理教授李亮是此次實驗的核心參與人員之一。他對《中國新聞周刊》解釋，真空不是空的，時空像泡沫一樣，有大量的虛擬粒子存在，它們會在某個瞬間突然出現(xiàn)，又突然消失，因為難以捕捉，所以是虛的，這就是量子漲落，這又會對繆子的磁場產(chǎn)生干擾?；诖?，實驗人員對計算進行了修正，最開始是一階修正，只考慮光子的干擾，此后還有二階修正、三階修正，也就是排除更多粒子的干擾，如W、Z玻色子，希格斯玻色子等。

但科學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，即使排除了這些干擾，實驗測出的繆子磁矩仍然存在反常。從1930年代起，不同的實驗結(jié)果相繼印證了這種反常，但受限于精度問題，人們對自己的發(fā)現(xiàn)并不自信，直到美國布魯克海文國家實驗室在2006年相對明確地提出了這個現(xiàn)象。而費米實驗室的發(fā)現(xiàn)在布魯克海文的基礎(chǔ)上更進一步，不僅提高了測量精度，一期數(shù)據(jù)的分析結(jié)果也將結(jié)論的“有效性”提高到了4.2σ，這是在統(tǒng)計學(xué)上的意義，也就是4.2倍標(biāo)準(zhǔn)方差。

李亮指出，這是一個非常有力的證據(jù)，4.2σ，就是出現(xiàn)統(tǒng)計誤差的概率只有四萬分之一，換句話說，這個發(fā)現(xiàn)有99.99%的概率是正確的。但科學(xué)界更嚴謹，按規(guī)定，只有標(biāo)準(zhǔn)方差達到5σ，才稱得上是一個“發(fā)現(xiàn)”，也就是保證實驗只有350萬分之一的概率出錯。但目前這只是一期結(jié)果，分析的是2018年的運行數(shù)據(jù)，還有2019、2020年的二期、三期數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量將會是一期的7倍，最快將于一年后公布?！拔矣谐浞值男判?，之后兩期的數(shù)據(jù)分析出來后，會有很大的概率達到5σ，這意味著，不是由于計算問題，也不是由于測量精度不夠，在進行各種高階修正之后，繆子的磁矩和標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測值仍存在一點點偏差?！彼f。

新物理是否到來？

在費米實驗室，跨越了5100多公里的巨型超導(dǎo)鐵磁環(huán)在撤去了專為運輸設(shè)計的紅白金屬罩后，露出了里面的藍色超導(dǎo)線圈。這些線圈可以產(chǎn)生1.45特斯拉的磁場，約為地球磁場的30000倍。實驗室的超強質(zhì)子加速器以平均每秒11.4次的頻率將10～12個質(zhì)子組成的質(zhì)子束團不斷加速、衰變生成3.094GeV能量的繆子束團?？娮邮鴪F被射入鐵磁環(huán)后，開始以接近光速的速率一圈又一圈地運動，在繞了幾千圈后，每個繆子會衰變出一個電子，這些電子被探測器檢測出來。實驗人員通過提取電子的信息，可以得到衰變前繆子的磁矩。在這個過程中，繆子像一個自身不停旋轉(zhuǎn)的陀螺，自轉(zhuǎn)軸不斷偏離最初的方向。陀螺歪了。

實驗裝置。圖/費米實驗室

這是一個非常優(yōu)美而簡潔的實驗，也是一個很經(jīng)典的實驗原理。從1960年代起，不同實驗室在測量繆子反常磁矩時都是采取這個方案。李亮指出，費米實驗室在進行實驗時，實驗原理與布魯克海文相同，但在精度上作了很大改進。費米實驗室可以輸出美國強度最大的繆子源，其繆子束流強度是布魯克海文實驗的10倍，最終的數(shù)據(jù)量會達到布魯克海文的20倍。而且，電磁環(huán)之所以采用已有的電磁環(huán)，是因為在這個實驗中，磁場的均勻非常關(guān)鍵。如果再造一個新的，其均勻程度不會像已經(jīng)使用過的電磁環(huán)這么完善，還要花大量時間重新校準(zhǔn)。

李亮還表示，探測器的靈敏度尤為重要，費米實驗的探測器是全新的，采用了一種會發(fā)光的氟化鉛晶體，它的生產(chǎn)線就在中國，由中科院上海硅酸鹽研究所和上海交大聯(lián)合研發(fā)。一方面，氟化鉛晶體的響應(yīng)時間非?？欤梢栽诙虝r間內(nèi)做多次測量，其次是精度很高，且可以更好地減少對磁場的干擾。

多年來，測量精度不夠高，一直是物理學(xué)界對自己的發(fā)現(xiàn)不自信的主要原因之一。由測量帶來的誤差包含統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差兩種，布魯克海文實驗的系統(tǒng)誤差是0.28ppm（千萬分之二點八），費米實驗室通過改進硬件和技術(shù)，將這個誤差降低到了0.16ppm，這是一個很大的躍遷。而在統(tǒng)計誤差上，布魯克海文是0.46ppm， 費米是0.43ppm。

在如此高精度的背景下，得出了一個非常有希望的發(fā)現(xiàn)以后，現(xiàn)在，人們要思考的是，陀螺為什么歪了？

在李亮看來，目前學(xué)界有兩種主要的猜測。一種是出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新的基本粒子。對此很容易理解，因為當(dāng)繆子在電磁環(huán)中沒有按照預(yù)定軌跡運動時，一定有一個外界力量干擾，這可能是一些人類現(xiàn)在還無法觀測到的全新粒子，由于和這些粒子發(fā)生了相互作用，使繆子的軌跡出現(xiàn)了偏差。所以接下來就要回答，這個新粒子從哪來的？它有什么性質(zhì)？它和標(biāo)準(zhǔn)模型基本粒子的關(guān)系是什么？

第二種可能性是，繆子是不可分的點粒子，內(nèi)部還有微觀結(jié)構(gòu)，這些內(nèi)部粒子可能在一定條件下發(fā)生相互作用，從而在整體上影響了繆子的磁矩。

中科院院士、中科院高能物理所所長王貽芳對《中國新聞周刊》指出，現(xiàn)在談這些還為時尚早，首先，費米實驗最后的4.2σ是在綜合了布魯克海文實驗的數(shù)據(jù)后得出的。如果單看費米一個實驗的結(jié)果，得出的標(biāo)準(zhǔn)方差是 3.3σ， 比布魯克海文當(dāng)年的數(shù)據(jù)3.7σ還要小，目前還不確定之后的結(jié)果會讓這個數(shù)字變得更大，還是更小了。在過去的粒子物理歷史中有很多例子，原本的統(tǒng)計數(shù)字是3點多，后來卻下降了。即使到了5，也要檢驗這個數(shù)字是否足夠精確。

王貽芳還表示，除了這種不確定性以外，也無法排除是否可能理論計算出現(xiàn)了誤差，才造成目前的結(jié)果。而且，理論計算在相當(dāng)大的程度上也利用了一些此前已有的實驗數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)本身也需要再檢查。

在這個實驗中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是把實驗數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)進行對比，理論計算是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型來預(yù)測，但由于繆子的不穩(wěn)定性，在計算時有較大的不確定性，在1968年就發(fā)生過類似的事情。當(dāng)時，歐洲核子中心的實驗物理學(xué)家得出一個和理論計算存在1.7σ差距的結(jié)果，后來發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)偏差是理論計算出了問題，修復(fù)錯誤后，理論和實驗結(jié)果吻合得很好。2016年，來自全球82個機構(gòu)的132名頂級理論物理學(xué)家組成了聯(lián)盟，分成不同組獨立進行計算，最終達成共識，理論預(yù)測出來的g是2.0023318362。費米實驗室的測量結(jié)果就是和這個數(shù)字進行比較。

李亮指出，在繆子和周圍虛粒子發(fā)生作用而帶來的各種變化中，計算不確定性的一個主要因素是強子真空極化效應(yīng)，雖然這只有很小的概率發(fā)生。當(dāng)繆子在傳播時，可能會瞬間發(fā)射出一個光子，光子會衰變成強子和反強子，強子和反強子又迅速變回光子，然后再被繆子重新吸收。這個過程被稱為強子真空極化。這個現(xiàn)象很難進入標(biāo)準(zhǔn)模型的計算中，因為強子不是孤立出現(xiàn)，數(shù)量很多，像粒子云一樣，這中間發(fā)生的各種作用很難準(zhǔn)確預(yù)測。

但如果經(jīng)過檢驗之后，最后證明這個反常確實存在，王貽芳說：“這將是我們第一次非常明確地看到超出標(biāo)準(zhǔn)模型的實驗現(xiàn)象?！?/p>

不過，上海交通大學(xué)粒子與核物理研究所副所長劉江來也對《中國新聞周刊》強調(diào)，即使真的可能存在新粒子，這種新粒子到底是什么，按現(xiàn)有的各種模型會有非常多的可能，比如超對稱模型，暗物質(zhì)模型等，物理學(xué)界要先確定哪一種模型更接近真實，有一個方向后，再通過對撞機去尋找新粒子。

“費米實驗只給出了間接證據(jù)，確定新粒子或第五種作用力，要有更直接的觀測證據(jù)。這不會是一個很快的過程，可能還要走很遠。但毫無疑問，這會讓新物理向前推進一大步，也會拓寬原本的標(biāo)準(zhǔn)模型，接下來，理論物理學(xué)家們會很興奮?！眲⒔瓉碚f道。