渺子擺動 20 年之謎或?qū)⒆罱K解開

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家對一個(gè)長期存在爭議的值——一種被稱為 μ 子的基本粒子的磁性“擺動”——進(jìn)行了有史以來最精確的測量。

有點(diǎn)令人失望的消息是，該衡量標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)型號，這意味著它可能沒有隱藏任何異國情調(diào)的新物理學(xué)正如一些人所希望的那樣。

一個(gè)μ 子與電子相似，只是它的質(zhì)量大約是電子的 207 倍。理論上，μ 子在磁場中的移動方式應(yīng)該是非?？深A(yù)測的，總結(jié)為所謂的陀螺磁比 （g）。

在一個(gè)簡單的世界里，g 的值應(yīng)該是一個(gè)漂亮、整潔的 2 —— 但當(dāng)然，這太容易了。μ 子的磁性舞蹈是一種異常，同樣圓周率只是略高于 3，μ 子的 g 因子似乎略高于 2。

有多小？只有 0.001165920705，根據(jù) Fermilab 的新結(jié)果μ 子 g-2 實(shí)驗(yàn).該測量結(jié)合了六年粒子加速器實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)。

該團(tuán)隊(duì)表示，這個(gè)最終數(shù)字精確到十億分之 127 以內(nèi)。為了正確看待這種精度水平，研究人員說如果你把美國的寬度測量到這個(gè)程度，你就能判斷出是否少了一粒沙子。

但這項(xiàng)研究真正有趣的部分是它留下的空間用于新的力或粒子來解釋異常的磁運(yùn)動。

一個(gè)名為 Muon g-2 Theory Initiative 的相關(guān)項(xiàng)目著手檢查標(biāo)準(zhǔn)模型對該值的預(yù)測。整合比以往任何時(shí)候都更廣泛的數(shù)據(jù)集，他們的最新計(jì)算在 0.00116592033 處得出。這使它非常接近從實(shí)驗(yàn)手段中獲得的價(jià)值，這給任何酷炫的、奇特的物理學(xué)留下了很小的回旋余地。

“異常磁矩，或 g-2,μ 子很重要，因?yàn)樗峁┝藢αＷ游锢韺W(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的敏感測試。Regina Rameika 說，美國能源部高能物理辦公室的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。

“這是一個(gè)令人興奮的結(jié)果，很高興看到實(shí)驗(yàn)以精確測量結(jié)束。”

當(dāng) μ 子在磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，它的磁極基本上應(yīng)該與磁場對齊。事實(shí)證明并非如此——相反，它像一個(gè)不平衡的陀螺一樣輕微地晃動。如果這種擺動特別極端，則可能意味著 μ 子正在被看不見的未知粒子推動。

真空吸塵器從來都不是真正的空的 – 多虧了量子漲落，虛擬粒子對不斷出現(xiàn)和消失。這些短暫的闖入我們現(xiàn)實(shí)的因素可以以各種方式影響附近的其他粒子。

由于其相對的重量，μ 子對虛擬粒子的影響特別敏感。因此，通過精確測量 μ 子超出其預(yù)期范圍的擺動量，物理學(xué)家可以計(jì)算出這些神秘虛擬粒子的特性，從而有可能解鎖標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理學(xué)新領(lǐng)域。假設(shè)的解釋可能包括暗光子或超對稱性.

幾十年來，μ 子的 g 因子一直是物理學(xué)家眼中的一根迷人的刺。2001 年出現(xiàn)了不對勁的線索，當(dāng)時(shí) Muon g-2 實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)版本揭示了巨大的差異在理論與實(shí)踐之間。

此后幾十年的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致測量越來越精確，同時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的技術(shù)也同時(shí)得到改進(jìn)。然而，不匹配仍然存在。

當(dāng)前版本的 Muon g-2 實(shí)驗(yàn)于 2018 年啟動，每年進(jìn)行一次新的實(shí)驗(yàn)，直到 2023 年。數(shù)據(jù)從前三輪開始，分兩批發(fā)布，每一批似乎都指向越來越多的邁向新物理學(xué).

這項(xiàng)最新的測量結(jié)合了來自整整六次運(yùn)行的數(shù)據(jù)，這是上次版本使用的數(shù)據(jù)集的三倍多。這些數(shù)據(jù)不僅更豐富，而且質(zhì)量也更高，利用了對設(shè)備的改進(jìn)。

可悲的是，對于那些希望在他們的物理教科書中增加一些額外章節(jié)的人來說，在這種情況下，似乎一切都是應(yīng)該的。但這并不是說我們什么都知道——暗物質(zhì)甚至重力也還不適合標(biāo)準(zhǔn)模型，因此還有很多漏洞需要填補(bǔ)。

該研究已提交給該雜志物理評論信，可在預(yù)印本服務(wù)器上使用arXiv.

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