粒子实验 或发现新自然力量(图)

2021-04-08 22:18 作者: 成容
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实验
美国伊利诺伊州巴达维亚的费米国立加速器实验室直径50英尺的超导电磁铁,进行Muon g-2实验。(图片来源:Glukicov/ CC BY-SA 4.0)

【看中国2021年4月8日讯】(看中国记者成容编译)科学家们认为,在观察到微小的亚原子粒子μ子以一种不同寻常的方式表现后,他们可能已经发现了自然界的第五种力量。

据英国《每日邮报》4月8日报导,一项新的分析,将与电子相似的微小μ子粒子送入一个15吨重的电磁铁,以测量它们如何“摇摆”。

被称为Muon g-2的实验,当粒子沿着50英尺长的磁力轨道行驶时,它们的摇摆幅度偏离了50年来一直使用的标准模型0.1%。

这表明μ子可能与未被发现的粒子或力量相互作用,由于它们是在宇宙射线撞击地球大气层时自然形成的,这些结果可能会改变人类相信的宇宙的运作方式。

英国科技设施委员会(STFC)表示,这一结果“为一种未被发现的亚原子粒子或新力量的存在提供了强有力的证据”。不过,他们提醒说,该结果有四万分之一的可能性,可能是统计错误。

英国著名粒子物理学家考克斯(Brian Cox)教授称这一结果“重要且令人兴奋”。他在推特上写道:“它越来越接近于发现超越标准模型的新物理学,基本上是新的基本粒子。这将是多年来粒子物理学领域最大的发现,当然可以和希格斯玻色子并列。”

Muon g-2实验,通过精确研究μ子与周围磁场的相互作用,来寻找新粒子和新力量的迹象。当把μ子置于磁场中时,它本身就像一个微小的磁罗盘,就像陀螺仪一样,这个罗盘按照标准模型所预测的某种精确频率旋转。

然而,g-2合作测量到的这种旋转速度,比预测的要快,这说明我们人类目前对物理学的理解还不完整。

英国科技设施委员会执行主席汤姆森(Mark Thomson)教授说:“作为一名粒子物理学家,这是一个令人兴奋的时刻。我们知道,我们目前对宇宙的理解是不完整的。我们现在从g-2等领先实验中看到的,可能是揭开物理学新世界幕布的第一道曙光。”

这种奇特的行为,挑战了大约50年前开发的标准模型,这个标准模型编列了宇宙中基本粒子以及它们如何相互作用的方程集合。

世界著名的弦理论物理学家加来道雄(Michio Kaku)说,这可能是寻找万物通用理论所需的线索,他称之为“神的方程式”(God Equation)。

“这是终极理论的信号吗?许多物理学家希望如此。爱因斯坦曾经说过,如果你看到一条狮子的尾巴,也许可能有一只狮子和它相连。任何与标准模型的微小偏差都将是指向真正理论的尾巴。”

费米国立加速器实验室(Fermilab)的物理学家波利(Chris Polly)告诉《纽约时报》:“这是我们火星探测漫游者登陆的时刻。”

约翰-霍普金斯大学理论物理学家卡普兰(David Kaplan)解释说,实验的重点是拉开粒子,找出粒子和它们之间看似空荡荡的空间是否有“有趣的事情发生”。

卡普兰说:“秘密不只是在物质中。它们生活在似乎填满了所有空间和时间的东西里。这些是量子场。我们将能量投入到真空中,然后看看会有什么结果。”

目前的物理学工作模型指出,自然界有四种基本力量:引力、电磁力、原子之间的弱力和强力。

直到现在,几十年来进行的实验一再肯定,它对构成和支配宇宙的粒子和力的描述几乎是正确的。

兰开斯特(Lancaster)教授说:“当与欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)最近的测量结果一起看时,似乎出现了一种模式,即μ子的行为与我们的理论预测不同。”

该突破性实验在伊利诺伊州巴达维亚(Batavia)的费米国立加速器实验室进行。费米国立加速器实验室拥有在粒子加速器中制造μ子的技术,可以大量生产μ子。

一个μ子的质量大约是它的表兄电子的200倍,当宇宙射线撞击地球大气层时自然形成。

1936年被发现后,它让科学家们大惑不解,以至于一位著名的物理学家问道:“是谁下的命令?”

意大利国家实验室的实验物理学家维南佐尼(Graziano Venanzoni),是美国费米实验室实验的顶级科学家之一,他说:“从一开始,它就在让物理学家挠头。”

费米国立实验室的研究人员,旨在通过观察μ子在巨大磁体周围旅行时的晃动,来测量μ子的磁性。

像电子一样,μ子的行为就像它们有一个微小的内部磁铁,当被置于强磁场中时,μ子的磁体方向会预处理或晃动,类似于旋转的顶部。

内部磁铁的强度决定了μ子在外部磁场中的预处理速度,用一个数字来描述,物理学家称之为g因子。而这个数字可以用超高精度计算出来。

当μ子绕着Muon g-2磁铁旅行时,它们也会接触到亚原子粒子弹入和弹出的量子泡沫。量子泡沫源于爱因斯坦的观点,即引力是由扭曲和弯曲的时空造成的。

此前有专家认为,时空并不平滑,而是类似于一瓶啤酒的泡沫残骸--泡沫。

标准模型极其精确地预测了这种所谓的异常磁矩。但如果量子泡沫中含有标准模型没有考虑到的额外力量或粒子,那将进一步调整μ子的g因子。

欧洲核子研究组织的理论物理学家麦卡洛(Matthew McCullough)表示,解开这些谜团可能会“让我们超越目前对自然的理解”。

韦恩州立大学(Wayne State University)的粒子物理学家彼得罗夫(Alexey Petrov)说:“新粒子、新物理学可能就在我们的研究范围之外。这很诱人。”

研究人员还需要一两年的时间,来完成对围绕50英尺(14米)跑道的所有圈数的分析结果。维南佐尼说,如果结果没有变化,这将算作一个重大发现。

理论物理学家加来道雄,最近出版了一本关于寻找万物普遍理论的新书,名为《神的方程式》,他在书中提出,标准模型是不完整的,是“几乎万物的理论”。

他说:“标准模型真实地描述了已知的亚原子世界。但问题是,它是物理学中最丑陋的理论之一。它有36个夸克和反夸克、20个自由参数,大量的规粒子、中微子和希格斯玻色子。这是一个只有母亲才能爱的理论。但大自然怎么能在最基本的层面上,创造出如此丑陋的理论。连它的创造者都承认它不可能是最终理论。”

世界著名的弦理论家之一、纽约市立学院理论物理学教授加来道雄说,物理学家一直在寻找标准模型中哪怕是最微小的偏差。

加来道雄解释说,晃动、新的力量和粒子相互作用方式的变化,都可以用来“给我们提供一个真正的基础理论的线索”。

来源:看中國

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