2021年4月7日,美国的费米科学实验室公布了他们有关缪子反常磁距测量的第一批实验数据,根据数据显示,他们将缪子反常磁距的实验数据与理论预测的偏差,提高到了前所未有的4.2σ,而这一精度,则可能预示着新物理的出现。所以这对于基础科学来说,将是一个无比震惊的消息。

费米实验室的g-2(反常磁矩)测量设备

为什么说这次的发现可以轰动科学界呢?

现在我们的基础科学是基于爱因斯坦的广义相对论和粒子物理的标准模型,广义相对论可以带领我们了解宇宙大尺度的宏观现象,而标准模型,则描述的是微观层面的粒子世界!在这两大基石的加持下,我们对宇宙的本质,便逐渐有了更加清晰的了解,像中子星、黑洞这些极端天体的发现,以及量子纠缠这样鬼魅般的量子现象,这些都是我们基于两大基石,对世界本质的认识!


然而随着探索的逐渐加深,两大基石也逐渐出现了不足。像暗物质和暗能量,它们就是凌驾于如今的理论之外,还有正反物质对称破缺、引力量子化以及黑洞内部这些,它们一个个就像一道壁垒,挡住了我们前进的步伐,而要想通过这些壁垒,我们则须要一套全新的物理理论!


可是在突破的进程中呢,我们却遇到了困难!

因为,标准模型太强大了!它的预测几乎解释了目前我们所有的实验数据,也就是说,我们所做的实验,几乎都是在标准模型的预测之内,所以这就导致了,我们无法得到超越标准模型之外的数据,所以也就无法触及到全新的物理机制!

那这个要怎么办呢?

一个,要么是建造更加强大的实验设备(比如能量更高的对撞机),利用强大的设备,去寻找超越标准模型之外的数据!再一个,就是在已有的设备中,继续做实验,寻找那不可能的机会!

建造更加强大的设备,是个不易之事!且不说巨额花费以及人力,光就建造之前,反对的声音,就先是一个很大的阻碍。所以要想利用强大的设备,就目前来看,还很渺茫!

所以,在没有强大的设备之前,现在我们只能在已有的设备中,寻找这个超越标准模型的奇迹。

这个,便是这次研究所做的事!

那这次的研究到底做了什么呢?

在开头我们曾提到,这次的研究是测量了缪子的反常磁距!


在标准模型中,总共存在着62种基本粒子,它们被分为了两大类,即费米子和玻色子!费米子是组成物质结构的一种基本粒子,是它们构造了我们的世界!而玻色子则是传递四种相互作用力的一种粒子!

费米子呢,包含轻子和夸克两类,轻子有电子和中微子,而夸克则有上夸克和下夸克,轻子和夸克能量的不同,则存在3个世代!

 

1代最稳定,所以构成世界物质的粒子,也都是由这一代完成。而2代和3代,是极不稳定的一类,它们诞生之后,存活的时间不长,往往会衰变为较轻一类。而缪子则是处于2代,比电子能量高的一类轻子,所以有时也称它为重电子!在除过质量之外呢,它有着和电子几乎相同的物理性质,像相同的电荷以及相同的自旋!

根据标准模型的描述,基本粒子都具有自旋,那么具有电荷的粒子则存在磁距,所以像电子和缪子这样的粒子,它们就存在着内禀磁距,而存在磁距,则就意味着,当它们在磁场中运动时,会存在进动,就像陀螺那样的摆动!进动频率的大小则是由磁距的大小决定,所以通过测量这个进动频率的大小便可确定其磁距!


可当实际测量时,你会发现,实验数据与理论预测不符,它们存在偏差!这个便是反常磁矩,而对这一偏离的现象,标准模型则给出了完美的解释:

  • 在实验中,我们测得的数值会受到量子效应的影响!根据标准模型,我们所说的真空并不是空无一物,它还存在虚粒子,虚粒子产生后虽然会很快湮灭,但它的出现会影响到粒子周围的时空结构,使得粒子的磁矩发生微小的改变!所以加上标准模型预测的量子效应干扰后,理论预测则与实验数值,完美相符!


比如电子的磁矩在考虑了量子效应之后,其g因子的理论预测是为2.002319304362,而实验测定的值则为2.002319304361,两个数值在小数点后11位,都是相等,所以足见标准模型强大的恐怖。

但在大约20年前呢,当我们去测量缪子的反常磁矩时,却惊奇的发现:标准模型的预测值和实验值却出现了偏差,虽然这个偏差很小,还不足以达到科学界5倍标准方差的认定标准,但这却让科学家看到了新物理出现的迹象,偏离标准模型的反常磁矩,说明它的背后,存在着标准模型无法解释的物理机制,而这个物理机制,便是我们苦苦寻找的全新物理!

所以缪子,也便成为了寻找新物理的探针!

但若想让缪子反常磁矩的理论预测和实验偏差得到认定,必须要使实验值达到5σ的标准偏差!

所以之后呢,科学界便开始了精确测量缪子反常磁矩的路程!

自2017年开始,费米实验室便开始了对缪子反常磁矩的精确测量,在测量的4年之后,第一批实验数据是于2021年4月7日被公布,从公布的数据来看,理论计算g因子的结果是2.00233183620(86),而实验测量的结果是2.00233184080(82),


这两个数值,从小数点第8位开始,便出现了不同!

这个精度,使得偏差达到了前所未有的4.2σ,虽然还未达到5的证认标准,但却已足够令科学界为之疯狂

在这个已有几十年没有重大发现的基础物理中,它就像一缕甘泉,让我们即将干枯的科学看到了曙光!虽然现在我们还无法知道这个新物理是什么,但只要触及到,我们终归会了解!