物理学家现在应该欣喜若狂。从字面上看，被称为 μ 子的基本粒子的惊人强磁性，本月一项实验揭示，表明已建立的基本粒子理论是不完整的。如果这种差异得到证实，这将是自该理论在五十年前创立以来首次未能解释观测结果——没有什么比证明一个理论是错误的更让物理学家喜欢的了。
但这项结果——由位于伊利诺伊州芝加哥附近的 Muon g – 2 实验于 4 月 7 日宣布——并没有指向新的革命性理论，而是提出了一个谜题。似乎令人恼火的是，很难用一种与物理学家对基本粒子的所有其他了解相兼容的方式来解释它。而对 μ 子行为的其他异常现象，由一个对撞机实验在 3 月份报告，只会使这项任务更加困难。结果是，研究人员不得不进行理论物理学等同于三周空翻的动作，才能使一个解释奏效。
僵尸模型
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以超对称性或 SUSY 为例，许多物理学家曾经认为它是扩展当前范式（粒子物理学的标准模型）最有希望的理论。超对称性有许多变体，但总的来说，它假设标准模型中的每个粒子都有一个尚未被发现的更重的对应粒子，称为超伙伴。超伙伴可能存在于不断在 μ 子周围的空旷空间中出现和消失的“虚粒子”之中，这种量子效应将有助于解释为什么这种粒子的磁场比预期的更强。
如果是这样，这些粒子可以同时解决两个谜团：μ 子磁性和暗物质，即看不见的物质，它通过引力似乎阻止星系分崩离析。
直到十年前，各种证据表明，质量高达几百个质子的超伙伴可能构成暗物质。许多人预计，位于瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机 (LHC) 的碰撞会产生大量这些新粒子，但到目前为止，还没有任何粒子出现。LHC 到目前为止产生的数据表明，典型的超伙伴（如果它们存在）的质量不能低于 1,000 个质子（边界可能更高，具体取决于超粒子的类型和超对称性理论的风味）。
“许多人会说超对称性几乎已经死了，”德国德累斯顿理工大学的理论物理学家多米尼克·斯托金格说，他是 Muon g – 2 合作组织的成员。但他仍然认为它是解释他的实验发现的一种合理方式。“如果你把它与其他任何想法进行比较，它并不比其他的更糟糕，”他说。
斯托金格说，Muon g – 2 有一种方法可以复活超对称性，并为暗物质提供证据。可能不是一个超伙伴，而是两个出现在 LHC 碰撞中，它们的质量大致相似——比如说，大约 550 和 500 个质子。碰撞会产生质量更大的一个，然后它会迅速衰变成两个粒子：较轻的超伙伴加上一个普通的标准模型粒子，带走 50 个质子质量差。
LHC 探测器完全有能力揭示这种衰变，只要普通粒子——即带走两个超伙伴之间质量差的粒子——足够大。但是一个非常轻的粒子可能会逃脱观察。“众所周知，这是 LHC 的一个盲点，”加利福尼亚州门洛帕克 SLAC 国家加速器实验室的理论家迈克尔·佩斯金说。
问题在于，包含两个质量相似的超伙伴的模型也倾向于预测宇宙应该包含比天文学家观察到的多得多的暗物质。因此，需要一种额外的机制——一种可以减少预测暗物质数量的机制，佩斯金解释说。这增加了理论的复杂性。为了使其符合观测结果，它的所有部分都必须“恰到好处”地工作。
与此同时，物理学家们发现了更多暗示 μ 子行为异常的线索。LHC 的一项名为 LHCb 的实验发现了初步证据，表明在某些称为 B 介子的较重粒子的分解产物中，μ 子的出现频率明显低于电子。根据标准模型，μ 子应该在各个方面都与电子相同，除了它们的质量，μ 子的质量是电子的 207 倍。因此，B 介子应该以几乎相等的速率产生电子和 μ 子。
巴黎-萨克雷大学的物理学家亚当·法尔科夫斯基说，LHCb μ 子异常现象与新的 μ 子磁性发现存在相同的问题：存在各种可能的解释，但它们都是“临时的”。法尔科夫斯基说：“我对这队从坟墓中拖出来的僵尸 SUSY 模型感到非常震惊。”
其他选项
物理学家说，当研究人员试图 concoct 一个理论，既能解释 Muon g – 2 的结果，又能解释 LHCb 的结果时，解释 Muon g – 2 结果的任务变得更加困难。“极少数模型可以同时解释两者，”斯托金格说。特别是，解释 Muon g – 2 和暗物质的超对称性模型对 LHCb 无济于事。
然而，仍然存在一些可以奇迹般地同时符合两者的解决方案。其中之一是轻夸克——一种假设的粒子，它可能具有将夸克转化为 μ 子或电子（它们都是轻子的例子）的能力。轻夸克可以复活物理学家在 1970 年代为实现粒子物理学的“大统一”所做的尝试，表明其三种基本力——强力、弱力和电磁力——都是同一种力的各个方面。
那个时代的大多数大统一方案都未能通过实验测试，而幸存的轻夸克模型变得更加复杂——但它们仍然有自己的拥护者。“轻夸克可以解决另一个大谜团：为什么不同粒子族的质量差异如此之大，”瑞士苏黎世大学的理论家吉诺·伊西多里说。一个族由较轻的夸克（质子和中子的组成部分）和电子组成。另一个族有较重的夸克和 μ 子，第三个族有更重的对应物。
除了轻夸克之外，还有一个主要的竞争者可以调和 LHCb 和 Muon g – 2 的差异。它是一个名为 Z′ 玻色子的粒子，因为它与 Z 玻色子相似，Z 玻色子携带负责核衰变的“弱力”。英国剑桥大学的理论家本·阿兰纳克说，它也可以帮助解决三个族的谜团。“我们正在构建一些特征非常自然地出现的模型，你可以理解这些层次结构，”他说。他补充说，轻夸克和 Z′ 玻色子都有一个优势：LHC 尚未完全排除它们，但如果它们存在，该机器最终应该会看到它们。
LHC 目前正在进行升级，它将于 2022 年 4 月再次开始将质子撞击在一起。即将到来的数据洪流可能会加强 μ 子异常现象，并可能提供长期寻求的新粒子的线索（尽管拟议的电子-正电子对撞机，主要用于研究希格斯玻色子，可能需要解决 LHC 的一些盲点，佩斯金说）。与此同时，从明年开始，Muon g – 2 将发布进一步的测量结果。一旦更精确地了解 μ 子磁性和理论之间的差异大小，差异本身就可以排除一些解释，并指向其他解释。
除非差异消失，标准模型再次获胜。本月报告的一项关于标准模型对 μ 子磁性的预测的新计算给出了一个更接近实验结果的值。到目前为止，那些押注标准模型失败的人总是输，这使得物理学家很谨慎。“我们——也许——正处在一个新时代的开端，”斯托金格说。
本文经许可转载，并于 2021 年 4 月 23 日首次发表。