在寻找新物理学的过程中，基于大型原子对撞机内部高能碰撞的实验屡屡失败。因此，物理学家们正在把希望寄托在更精确的方法上：减少碰撞和抓取，更多地关注摆动的方式。下个月，美国的研究人员将启动一项这样的实验。该实验将对μ子（电子的重表亲）在磁场中的行为进行超精确的测量。这可能会为全新粒子的存在提供证据。
这项在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家实验室进行的新实验所寻找的粒子，是包围并与所有形式的物质相互作用的虚拟汤的一部分。量子理论认为，短寿命的虚拟粒子不断地“闪现”并消失。物理学家已经解释了已知虚拟粒子（如光子和夸克）的影响。但是，虚拟汤可能含有神秘且尚未确定的成分。而μ子可能对它们特别敏感。
新的μ子g-2实验将以前所未有的精度测量这种敏感性。这样做，它将重新分析困扰物理学家十多年的μ子异常现象。如果实验证实这种异常是真实的，那么最可能的解释是它是由现有物理学理论（标准模型）中没有出现的虚拟粒子引起的。
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“这将不仅是超出标准模型的物理学的第一个直接证据，也是全新粒子的第一个直接证据，”德国德累斯顿工业大学的理论家、μ子g-2合作组织的成员多米尼克·施托金格（Dominik Stöckinger）说。
物理学家们正在呼唤标准模型的继任者——一个在很大程度上取得了成功，但已知是不完整的理论，因为它无法解释许多现象，例如暗物质的存在。位于瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN的大型强子对撞机（LHC）的实验，尽管表现超出预期并进行了数百次对标准模型之外的物理学的搜索，但并未发现任何具体的缺陷。μ子异常是物理学家拥有的少数线索之一。
对μ子的磁矩（与粒子的固有磁性相关的基本特性）的测量可能掌握着关键，因为它受到与虚拟粒子相互作用的调整。当15年前在纽约布鲁克海文国家实验室最后一次测量时，μ子的磁矩大于理论预测。物理学家认为，与未知粒子的相互作用（可能是超对称理论所设想的粒子）可能导致了这种异常。
其他可能的解释是统计上的偶然性，或者是理论家的标准模型计算中的缺陷，该计算结合了已知粒子的复杂影响。但施托金格表示，这种情况的可能性越来越小，他说，新的计算方法和实验交叉检查使理论方面比15年前更加可靠。
“有了布鲁克海文的这个诱人的结果，你真的需要做一个更好的实验，”马萨诸塞州波士顿大学的物理学家、μ子g-2实验的联合负责人李·罗伯茨（Lee Roberts）说。费米实验室的装置将使用布鲁克海文实验中使用的μ子数量的20倍，将不确定性缩小4倍。“如果我们得出了相同的结论，但误差小得多，那将明确表明存在一些在其他地方都没有观察到的粒子，”他说。
为了探测μ子，费米实验室的物理学家会将粒子注入到一个直径约14米的环形磁场中。每个粒子都具有一种称为自旋的磁性，这类似于地球绕其轴旋转。当μ子以接近光速的速度在环中传播时，它们的旋转轴在磁场中会像不平衡的陀螺一样摆动。将这种进动速率与磁场的测量相结合，就可以得出粒子的磁矩。
自从布鲁克海文的结果公布以来，一些关于异常的流行解释（包括假设的暗光子的影响）似乎已被其他实验排除，施托金格说。“但是，如果你看看超出标准模型的物理学的整个范围，就会发现有很多可能性。”
尽管积极的结果不会明确指出新粒子究竟是什么，但它将为其他实验如何确定它们提供线索。施托金格说，如果保持相对较大的布鲁克海文差异，它只能来自相对较轻的粒子，这些粒子应该在LHC的射程范围内，即使它们的相互作用非常罕见，需要数年时间才能出现。
事实上，建立在先前发现基础上的愿望是如此强烈，以至于为了避免可能的偏差，费米实验室的实验人员将“盲”处理他们接收到的结果，并对结合在一起给出磁矩的两个测量值分别应用不同的偏移量。只有在偏移量揭示后，才会有人知道他们是否获得了隐藏在量子汤中的新粒子的证据。“在此之前，没有人知道答案是什么，”罗伯茨说。“这将是一个激动人心的时刻。”
本文经许可转载，首次发表于2017年4月11日。