物理學或?qū)⒂瓉碇卮笸黄?，費米實驗室最新結(jié)果暗示，可能存在第 5 種基本作用力

本文來自微信公眾號：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

文 | 喬恩?巴特沃思（Jon Butterworth）

譯 | 禮世杰

編 | 陳強

原文刊載于《科學焦點》2024 年第 01 期

在美國芝加哥附近的費米實驗室，一個國際科學團隊對 μ 子與磁場的相互作用進行了更精確的測量，并于 2023 年 8 月 10 日公布了最新測量結(jié)果。

物理學家對這次測量結(jié)果充滿了期待，主要是因為之前的測量結(jié)果與粒子物理學的標準模型存在著顯著的差異。對于這一差異，一種可能的解釋是，宇宙中存在第 5 種基本作用力。那么，真的存在一種目前尚未發(fā)現(xiàn)的基本作用力嗎？這次測量結(jié)果又能告訴我們什么？

第 5 種基本作用力影響了 μ 子磁矩？

我們知道，自然界中目前已知的基本作用力有 4 種，分別是引力、電磁力、強核力和弱核力。

廣義相對論精確地描述了引力，而粒子物理學的標準模型解釋了其他 3 種基本作用力。第 5 種基本作用力將超出現(xiàn)有的物理學框架，因此，它的發(fā)現(xiàn)將是物理學家探索宇宙本質(zhì)的一個重大突破。

物理學家一直渴望取得這種突破，因為盡管標準模型可以近乎完美地解釋很多物理現(xiàn)象，但它并不是一個完整的“萬物理論”。

例如，標準模型還無法解釋引力。事實上，廣義相對論和標準模型在非常高的能量下是不相容的。對于物理學家來說，任何與理論不符的測量結(jié)果都會被視為一種線索，表明可能存在更全面、更有解釋力的理論。

費米實驗室的測量結(jié)果讓物理學家感到，這樣的突破可能就在眼前。根據(jù)標準模型，μ 子是一種基本粒子，也就是說，它是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位之一。μ 子與電子非常相似，但質(zhì)量大約是電子的 210 倍。

μ 子除了帶有負電荷以外，還有一種內(nèi)稟的角動量，這種屬性稱為自旋。根據(jù)物理學規(guī)律，μ 子會產(chǎn)生一個微小的磁矩，就像一個微型磁針。當 μ 子處于磁場中時，它的磁矩會發(fā)生進動，好比旋轉(zhuǎn)的陀螺會發(fā)生搖晃一樣。μ 子磁矩的大小決定了進動頻率的大小。

在費米實驗室，物理學家把數(shù)十億個 μ 子送入一個存儲環(huán)中，利用精確校準的電場和磁場控制它們，這樣就可以測量 μ 子在磁場中的進動頻率。

μ 子的進動頻率可以通過標準模型非常精確地計算出來。計算還涉及到了所謂的“虛粒子”，它們是一種無法被直接探測到的粒子，但會在量子漲落中短暫現(xiàn)身，與 μ 子產(chǎn)生相互作用，從而改變 μ 子的磁矩和進動頻率。如果實驗的測量結(jié)果與標準模型的預(yù)測不符，那么，這可能意味著在量子漲落過程中出現(xiàn)了一種未知的粒子。

一種可能是，這個未知粒子是第 5 種基本作用力的媒介粒子。這種新的粒子類似于光子，因為光子就是電磁力的媒介粒子，但這種新粒子并不包含在標準模型的框架內(nèi)。

來自理論與實驗方面的挑戰(zhàn)

費米實驗室對 μ 子磁矩的最新測量，再次驗證了之前的測量結(jié)果。而且，這次測量結(jié)果的精度更高。然而，在物理學家宣布發(fā)現(xiàn)第 5 種基本作用力之前，還有兩個重要的問題需要解決。

首先，理論預(yù)測方面還存在問題。目前的理論預(yù)測值是根據(jù)一種被廣泛接受的計算方法得出的，然而，還有其他的計算方法也可以給出預(yù)測值。這些預(yù)測值都不盡相同，有些更接近測量結(jié)果。

盡管實驗與理論之間的差異可能暗示著存在某種新的物理現(xiàn)象，但在宣布第 5 種基本作用力真的存在之前，物理學家還需要進一步確定理論預(yù)測值究竟是多少。

第二個問題更具挑戰(zhàn)性，但也更加令人興奮。如果這種差異得到證實，那么我們就可以確定有一些新的物理現(xiàn)象在起作用，即使我們還不清楚那究竟是什么。

理想情況是，物理學家根據(jù)這個差異提出了新理論，而新理論還帶來了新預(yù)測。如果新理論真的與一種新的基本作用力相關(guān)，那這個理論可以告訴我們?nèi)绾握业綌y帶新的基本作用力的粒子。

問題是，物理學家必須開展一項能直接探測新粒子的實驗，才能證明新理論是正確的。就像在 2012 年，物理學家利用大型強子對撞機探測到了希格斯玻色子，證明了彼得?希格斯（Peter Higgs）等人的理論。

其他的一些測量實驗，比如在大型強子對撞機上開展的一些實驗，也出現(xiàn)了標準模型無法解釋的現(xiàn)象。不過，這也是探索過程中難免會出現(xiàn)的問題。有些時候，隨著我們獲取更多的數(shù)據(jù)，展開更深入的研究，這些問題往往就會消失。

費米實驗室將在不久的將來發(fā)布一個更精確的測量結(jié)果，而大型強子對撞機也將繼續(xù)運行并收集更多數(shù)據(jù)。有了更精確的實驗數(shù)據(jù)，物理學家可以更仔細地分析各種測量結(jié)果與理論不符的情況。

不管怎樣，μ 子的磁矩是最早也是最明顯的一個與標準模型不符的現(xiàn)象。這個測量結(jié)果不太可能是錯誤的。這意味著，如果理論預(yù)測問題得到解決，很可能就能表明某種新的、超出標準模型的物理學現(xiàn)象的確存在，甚至可能還存在第 5 種基本作用力。

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