怪异μ子可能指向新的粒子和自然力

几年前，我离开了欧洲核子研究中心（CERN）物理实验室，乘坐高速列车越过瑞士-德国边境。望着车厢的窗外，我被掠过的景象迷住了：一对年轻情侣在空无一人的站台上拥抱，一位老人站在一辆缺了一个轮子的生锈货车旁，两个女孩涉水走进一片芦苇丛生的池塘。每个场景都只是一闪而过的几个画面，转瞬即逝，但足以让我的想象力填充一个故事。

我刚刚完成了一些关于μ子（电子的较重表亲）的理论工作，并且正在同行评审期间接受我的粒子物理学同事的审查。那天我望着火车窗外时的思绪与我一直在研究的研究之间存在一种对称性。我一直在分析看不见的“虚粒子”对μ子的闪烁效应，旨在利用这些相互作用的线索来拼凑出我们量子宇宙的更完整的图景。作为一位刚开始职业生涯的年轻理论家，我听说过提出的实验，目的是测量μ子的微小摆动，以收集此类线索。我刚刚在欧洲核子研究中心度过了最后几个月，研究一个可以将这些摆动的μ子与支配我们宇宙的缺失暗物质和其他谜团的身份联系起来的想法。我的思绪飞速前进，我想，“太棒了——现在我只需要等待实验来解决问题了。”我万万没有想到，我最终会等待四分之一个世纪。

终于，在今年四月，我收看了来自我的母校，芝加哥附近费米国家加速器实验室（Fermilab）的网络直播，科学家们正在报告μ子g-2（“g减2”）实验的发现。世界各地成千上万的人们观看，看看物理定律是否很快需要被改写。费米实验室的项目是对2001年的一项实验的跟进，该实验发现了我在期待的μ子摆动效应的诱人迹象。那次试验没有产生足够的数据来做出明确的结论。但是现在，μ子g-2实验的共同发言人克里斯·波利正在公布该实验首次运行的期待已久的结果。我兴奋地观看，他展示了一系列新的证据，这些证据与之前的试验结果一致，都表明μ子的行为与当前理论的描述不符。凭借这两项实验的证据，我们现在非常接近物理学家声称“发现”所需的严格统计阈值。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

这个让我和其他科学家如此感兴趣的摆动效应是什么？它与μ子在磁场中运动时的自旋方式有关。自旋方向的这种变化会受到虚粒子的影响，这些虚粒子根据量子力学的怪异规则在真空中出现和消失。如果宇宙中存在我们已知粒子之外的其他粒子，它们也会以虚粒子的形式出现，并在我们的实验中对μ子的自旋施加影响。而这似乎就是我们所看到的。费米实验室的实验及其前身测量到的μ子自旋摆动幅度比我们根据已知粒子所预期的要强。如果目前的差异持续存在，这将是自发现希格斯玻色子（最近发现的新粒子）以来粒子物理学领域最大的突破。我们可能正在观察到可能有助于揭示暗物质身份甚至揭示一种新的自然力的粒子的影响。

标准模型

我对物理学的热爱始于童年，那时我惊叹于阿根廷潘帕斯草原深邃黑暗的天空中银河（Milky Way）。现在，同样的惊奇感仍然充满着我。作为一名粒子物理学家，我的工作是研究宇宙是由什么组成的，它是如何运作的，以及它是如何开始的。

科学家们认为，存在一种基于自然对称性的简单而优雅的数学结构，它描述了微观基本粒子如何通过电磁力、弱力和强力相互作用；这就是粒子物理学的奇迹，科学家们平淡地称之为标准模型。遥远的恒星是由与我们身体相同的三种基本物质粒子组成的：电子和“上”夸克和“下”夸克，后两者构成质子和中子。星光是带电质子和电子之间电磁力作用的结果，在恒星炙热的表面释放光能。包括我们的太阳在内的这些恒星的热源是强力，它作用于质子和中子以产生核聚变。而作用于夸克和电子的弱力将质子转化为中子和带正电的电子，并控制聚变过程第一步的速率。（自然的第四种力，引力，不是标准模型的一部分，尽管将其与其他力整合是一个主要目标。）

物理学家在几十年中一块一块地组装了标准模型。在世界各地的粒子加速器中，我们已经能够创造和观察数学结构要求的所有粒子。最后一个被发现的希格斯玻色子是在近十年前在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）上发现的。然而，我们知道标准模型并不完整。例如，它不能解释宇宙中85%的物质——暗物质——它将宇宙凝聚在一起，使银河系等星系成为可能。标准模型未能回答为什么在我们宇宙历史的早期，物质战胜了反物质，使我们的存在成为可能。费米实验室的μ子g-2实验现在可能表明，标准模型，尽管它很出色，但仅仅描述了一个更丰富的亚原子世界的一部分。

实验的主题——μ子——是由地球大气中的宇宙射线大量产生的；每分钟有超过10,000个μ子穿过我们的身体。这些粒子具有与我们熟悉的电子相同的物理性质，但它们重200倍。额外的质量使它们成为高精度实验室中新现象的更好探针，因为任何偏离其预期行为的偏差都会更加明显。在费米实验室，一个直径50英尺的强大磁铁环存储了在受控条件下通过将来自粒子加速器的质子束撞击到主要由镍制成的靶标上而产生的μ子。这个过程产生π介子，不稳定的复合粒子，然后通过弱力效应衰变为中微子和μ子。此时，μ子进入充满“空”空间真空的环中。

像电子一样，μ子具有电荷和我们称之为自旋的性质，这使得它们表现得像小磁铁。由于它们的产生方式，当带负电的μ子进入环时，它们的自旋方向与它们的运动方向相同，而对于带正电的μ子（在费米实验室实验中使用），自旋方向与它们的运动方向相反。外部磁场使带电μ子以接近光速的速度围绕环形轨道运行。与此同时，当粒子在环形轨道中运动时，这个磁场会导致μ子的自旋像陀螺仪一样平稳地进动，但会发生轻微的摆动。

进动速率取决于μ子内部磁体的强度，并且与我们称之为g的因子成正比。标准模型的方程编写方式是，如果μ子根本不摆动，则g的值将为2。如果是这种情况，μ子的运动方向和自旋方向将始终相对于彼此相同，而g-2将为零。在那种情况下，科学家将测量不到μ子的摆动。这种情况正是我们在不考虑真空性质的情况下所期望的。

但是量子物理学告诉我们，真空的虚无是宇宙中最神秘的物质。这是因为真空包含虚粒子——寿命短暂的物体，其物理效应非常真实。我们所知道的所有标准模型粒子都可以表现为虚粒子，这归因于不确定性原理，量子理论的一个要素，它限制了我们执行测量的精度。因此，能量不确定性可能在非常短的时间内变得如此之大，以至于粒子可以从真空中突然出现。量子世界的这个令人震惊的特征在粒子物理学实验中起着至关重要的作用；事实上，希格斯玻色子的发现就是由大型强子对撞机上的虚粒子效应促成的。

虚粒子也与费米实验室环中的μ子相互作用并改变g的值。您可以将虚粒子想象成μ子发射并立即重新吸收的短暂的同伴——它们像一小片云一样跟随它，改变其磁性，从而改变其自旋进动。因此，科学家们始终知道g不会正好是2，并且当μ子围绕环形轨道旋转时会发生一些摆动。但是，如果标准模型不是故事的全部，那么我们尚未发现的其他粒子也可能在该云中被发现，从而以标准模型无法预测的方式改变g的值。

μ子本身是不稳定的粒子，但它们在μ子g-2实验中存活的时间足够长，足以让物理学家测量它们的自旋方向。物理学家通过监测它们产生的衰变粒子之一来做到这一点：来自带负电μ子衰变的电子，或来自带正电μ子衰变的正电子——电子的反粒子版本。通过确定电子或正电子的能量和到达时间，科学家可以推断出母体μ子的自旋方向。来自七个国家35所大学和实验室的大约200名物理学家组成的团队开发了以前所未有的精度测量μ子g-2特性的技术。

一项确认

首次测量μ子g-2的实验是在欧洲核子研究中心进行的，到1970年代后期，他们产生了结果，这些结果在其令人印象深刻但有限的精度范围内，与标准理论相符。在1990年代后期，布鲁克海文国家实验室的E821 μ子g-2实验开始采集数据，其设置与欧洲核子研究中心的设置类似。它一直运行到2001年，并获得了令人印象深刻的结果，显示出与标准模型计算的有趣差异。它仅收集了足够的数据来建立与标准模型的三西格玛偏差——远低于物理学家要求“发现”的五西格玛统计显着性。

十年后，费米实验室收购了最初的布鲁克海文μ子环，通过公路、河流和海洋将50吨重的设备从长岛运到芝加哥，并开始了下一代μ子g-2实验。在那之后的近十年，费米实验室宣布测量到μ子摆动，其不确定性小于百万分之零点五。这种令人印象深刻的精度，仅用实验预期数据的前6%就实现，与布鲁克海文试验的完整运行结果相当。最重要的是，新的费米实验室结果与E821值惊人地一致，证实了布鲁克海文的发现并非侥幸。

为了证实今年的结果，我们不仅需要更多的实验数据，还需要更好地理解我们的理论到底预测了什么。在过去的二十年中，我们一直在改进标准模型的预测。最近，由伊利诺伊大学的艾达·埃尔-卡德拉发起的μ子g-2理论倡议的100多位物理学家，一直在努力提高标准模型μ子g-2因子值的准确性。数学方法和计算能力的进步使得迄今为止最准确的g理论计算成为可能，其中考虑了所有通过电磁力、弱力和强力与μ子相互作用的虚标准模型粒子的影响。就在费米实验室公布其最新的实验测量结果几个月前，该理论倡议公布了他们的新计算结果。该数字与实验结果相差4.2西格玛，这意味着差异纯粹是统计波动的可能性约为四万分之一。

尽管如此，最新的理论计算并非铁板钉钉。受强力效应支配的g-2因子的贡献极其难以计算。μ子g-2理论倡议使用了来自过去二十年中在相关电子实验中谨慎测量的数据的输入，以评估这些效应。然而，另一种技术是尝试直接从理论原理计算效应的大小。这种计算过于复杂，无法完全解决，但物理学家可以使用一种数学技巧进行近似，该技巧将我们的世界离散化为空间和时间的网格状格子。这些技术在强力起主导作用的其他计算中产生了高度准确的结果。

世界各地的团队正在努力进行μ子g-2因子的格子计算。到目前为止，只有一个团队声称拥有与基于电子碰撞实验数据的精度相当的结果。这个结果恰好稀释了实验和标准模型期望之间的差异——如果它是正确的，那么可能没有证据表明有额外的粒子在拉动μ子。然而，如果这个格子结果得到其他小组的证实，那么它本身将与实验电子数据相冲突——那么难题将是我们对电子碰撞的理解。并且很难找到理论效应来解释这样的结果，因为电子碰撞已经被如此彻底地研究过了。

来自虚空的信息

如果费米实验室的测量结果与理论之间的不匹配持续存在，我们可能正在瞥见一个未知的世界，其中充满了不熟悉的力、自然的新型对称性和新粒子。在我25年前发表的寻找μ子摆动线索的研究中，我的合作者和我考虑了自然界的一种拟议属性，称为超对称性。这个想法桥接了两种粒子类别——玻色子（可以大量堆积在一起）和费米子（具有反社会性，只与自旋相反的粒子共享空间）。超对称性假定标准模型的每个费米子物质粒子都有一个尚未被发现的玻色子超伙伴，并且每个标准模型玻色子粒子也有一个未被发现的费米子超伙伴。超对称性有望统一三种标准模型力，并为暗物质和物质战胜反物质提供自然的解释。它也可能解释惊人的μ子g-2结果。

就在费米实验室合作组织宣布其测量结果后不久，我的同事塞巴斯蒂安·鲍姆、纳什恩·沙阿、卡洛斯·瓦格纳和我向预印本服务器发布了一篇论文，研究了这个有趣的观点。我们的计算表明，真空中的虚超粒子可能使μ子的摆动速度比标准模型预测的更快，正如实验所见。更令人振奋的是，其中一种新粒子——称为中性微子——是暗物质的候选者。超对称性可以采取多种形式，其中许多形式已经被大型强子对撞机和其他实验的数据排除——但仍然有很多版本是可行的自然理论。

我的团队提交的论文只是自μ子g-2结果公布以来提出的100多篇可能解释之一。这些论文大多数提出了两种新粒子：要么是“轻而弱”，要么是“重而强”。第一类包括质量与μ子相当或更小的新粒子，并且与μ子的相互作用强度比电磁力弱数百万倍。这种类型最简单的理论模型涉及希格斯玻色子或与作用于μ子的自然新力相关的粒子。这些新的轻粒子和弱力可能很难在地球实验中检测到，μ子g-2实验除外，但它们可能在宇宙中留下了线索。这些轻粒子会在大爆炸后大量产生，并可能对宇宙膨胀产生可测量的影响。相同的想法——轻粒子和弱力写下了我们当前宇宙历史中缺失的一章——也被提出用来解释空间膨胀率观测中的差异，即所谓的哈勃常数危机。

μ子结果的第二类解释——重而强——涉及质量与希格斯玻色子（大约是质子质量的125倍）到重达100倍的粒子。这些粒子与μ子的相互作用强度可能与电磁和弱相互作用相当。这些重粒子可能是希格斯玻色子的表亲，或者奇异的物质粒子，或者它们可能是作用于短程的自然新力的载体。超对称性提供了这种类型的一些模型，因此我在欧洲核子研究中心年轻时的推测仍然在竞争中。另一种可能性是一种称为轻夸克的新型粒子——一种奇怪的玻色子，它与夸克以及轻子（如μ子）共享属性。根据新粒子的重量以及它们与标准模型粒子相互作用的强度，它们可能会在大型强子对撞机即将进行的运行中被检测到。

最近的一些大型强子对撞机数据已经指向涉及μ子的异常行为。例如，最近，LHCb（大型强子对撞机的实验之一）测量了某些不稳定的复合粒子的衰变，这些粒子类似于产生μ子或电子的π介子。如果μ子只是电子的较重表亲，正如标准模型声称的那样，那么我们可以精确预测这些衰变中应该产生μ子与电子的比例。但LHCb数据显示，与该预测存在持续的三西格玛偏差，这可能表明μ子与电子的差异比标准模型允许的更大。有理由怀疑LHCb的结果和μ子g-2是否是同一故事的不同闪烁画面。

一块拼图

μ子g-2实验可能正在告诉我们一些新的东西，其影响远远超出了μ子本身。理论家可以设计出新的粒子和力来解释μ子有趣的摆动，并解决其他突出的谜团，例如暗物质的性质，甚至更大胆地说，物质为什么胜过反物质。费米实验室的实验让我们初步了解了正在发生的事情，但我预计在我们可以自信地完成这个故事之前，还需要进行更多的实验，包括正在进行的和尚未构思的实验。如果超对称性是答案的一部分，我们很有可能在大型强子对撞机上观察到一些超粒子。我们希望在那里或在寻找它们的地下深处实验室看到暗物质粒子的证据。我们还可以研究μ子在不同类型实验中的行为，例如LHCb。

所有这些实验都将继续进行。μ子g-2最终应该产生接近20倍数据的结果。然而，我怀疑g-2因子的最终测量值不会发生显着变化。在理论方面仍然存在一些疑问，这些疑问将在未来几年内得到澄清，届时使用世界上最强大的超级计算机进行的格子计算将达到更高的精度，并且独立团队将就标准模型对g-2因子的预测达成最终结论。如果预测和测量之间存在巨大的不匹配，它将动摇物理学的基础。

μ子总是充满惊喜。当它们在1936年首次被发现时，它们的出现促使物理学家I.I.拉比抱怨说：“谁订购了那个？”。近一个世纪后，它们仍然让我们感到惊讶。现在看来，μ子可能是宇宙新秩序的信使，对我个人而言，也是梦想成真。