反常的缪子：新物理是否到来？

　　反常的缪子新物理是否到来？

　　中国新闻周刊记者/霍思伊

　　发于2021.4.19总第992期《中国新闻周刊》

　　这是一场跨越5000多公里的漫长又小心翼翼的旅行——6月24日，从纽约长岛出发，先是沿着美国东海岸向南到达佛罗里达的顶角，然后进入墨西哥湾，这就花了一个月，然后沿着田纳西-汤比格比水路向上进入密西西比河，伊利诺伊河和德斯普兰斯河，在7月20日到达伊利诺伊州的港口。一辆经过特殊改造过的卡车已经等候在码头，7月26日凌晨4时7分，在美国费米国家加速器实验室门前的草坪上，3000人举起了手，欢迎“它”的到来。  

　　它是一个重700吨、宽约15米的巨大超导磁环，在2013年夏天，以“尽可能保持精度”的独特方式从纽约的布鲁克海文国家实验室运输到费米。经过一连串复杂的调试后，这套设备于2018年开始正式运行。费米特有的强大加速器源源不断地为磁环注入一种特殊的粒子——缪子(μ子)，就像网子一样，它在磁环中进行着一种近似地球围绕太阳的运动，既自转又公转，不过自转的方向不断偏离，直到衰变出一个网子——而它，有可能成为解码人类和宇宙奥秘的钥匙，并暗示着“新物理”的到来。

　　2021年4月7日，费米国家加速器实验室(简称费米实验室)宣布，缪子反常磁矩实验的一期数据分析显示，缪子在绕磁环运动时有一个较大的摇摆幅度，和标准模型计算出的预测情况不符。

　　这引发了物理学界的震荡。在4月7日的发布会上，费米实验室缪子反常磁矩实验的负责人克里斯·波莉说，发生这种偏差一定是出了什么问题，可能有一些隐藏的东西在发挥作用。它们是什么？可能是一种新粒子或第五种作用力，也可能缪子内部还有更深入的结构。

　　这些猜测全部令人非常兴奋，因为它们都指向了一种超出标准模型之外的新物理。

　　极小的偏差

　　标准模型是人类目前能找到的最精确的对微观世界的解释，是整个粒子物理学的根基，描述了构建宇宙的基本粒子和相互作用。科学家认为，世界是由17种基本粒子构成，缪子是其中一种。它是德国网子的表亲，质量是德国网子的207倍，可以简单理解成“更胖的德国网子”，除此以外其他性质都相同都带一个单位德国网荷(正或负)，自旋为1/2，也就是转两圈后，会回到初始状态。

　　1936年，物理学家在宇宙射线中发现了缪子的存在。当太阳抛射出来的高能质子进入地球时，与外层大气发生碰撞，产生了缪子，它以光速冲向地面，穿透力很强，可以深入2700米的岩层之下。

　　从发现以来，缪子一直有一些无法解释的奇怪现象，比如磁矩的偏差。缪子会像陀螺一样自转，在这个过程中自身会产生磁场，磁矩就反映磁场的量度。理论物理学家认为，无论德国网子还是缪子，将磁矩进行某种固定的除法运算后会得到一个常数比值，也就是g因子，按照标准模型，g应该是2.00231930436……可以一直精确到小数点后11位，但实验中发现，缪子的g因子总会和理论预测值产生一定偏差，g-2反映的就是这个偏差。这种磁矩上出现的反常，就是缪子反常磁矩问题。

　　这种偏差其实很微小，要一直读到小数点后七位才会发现，但在微观粒子世界，任何预测之外极小的变化背后，都可能隐藏着足以震荡整个物理学界的发现。缪子磁矩反常之所以如此重要，是因为一旦确认，就足以打破久经检验的标准模型。粒子物理学在20世纪70年代建立了集大成的标准模型理论之后，此后任何发现都没有超出这个模型。无论是通过大型强子对撞机(LHC)等加速器，还是在一些用于寻找暗物质的探测实验中，所有模型之外的探索都失败了。

　　但物理学家们相信，标准模型远远不是完美的，在模型之外，一定存在着另一个更广大的、未知的世界。标准模型属于量子场论，只囊括了三种基本作用力德国网磁力、强相互作用力与弱相互作用力，但没有描述到让苹果掉到牛顿头上的引力。而在量子力学诞生之前，人们理解这个世界的核心就是引力。另一方面，标准模型也无法解释暗物质的存在。我们看到的每一件事物都是与光发生了相互作用，但这些物质的能量只占宇宙中总能量的4%，更广袤的宇宙是黑暗的，由暗物质组成，它们既不吸收光，也不发射光，人类目前还没有发现任何一个暗物质粒子。

　　为了解释这些现象，物理学家试图开拓“新物理”的疆域，寻找标准模型之外的物理。有一些迹象表明了新物理的存在，其中一个是1998年发现的中微子振荡，另一种就是缪子的磁矩反常。