科學研究：從μ子的磁矩中窺見了新科學？



物理學的標準模型是迄今為止最精確的理論。圖源：Wikimedia Commons
如果實驗的結果和當下最好的理論得出的結論不同的話，那麽一定有地方出了問題。
十五年前，布魯克海文國家實驗室的物理學家發現了一些令人費解的現象。在該實驗中，μ子（一種亞原子粒子）以一種不符合理論預測的方式運動。理論錯了嗎？實驗出錯了嗎？或者——這聽上去非常誘人——這是新物理學存在的證據嗎？
從那以後，物理學家直到今天仍在盡力解決這個謎團。
來自費米實驗室的一個團隊解決了實驗方麵的問題，並於2021年4月7日公布了結果，證實了最初的測量結果。但我和我的同事采取了不同的方法。
我是一名理論物理學家，同時也是布達佩斯-馬賽-烏珀塔爾合作組織（Budapest-Marseille-Wuppertal collaboration）的發言人和兩位協調員之一。這個組織召集了大量一直在試圖弄清“舊理論預測是錯是對”的物理學家。我們用一種新的方法來研究μ子與磁場的相互作用。
我們的理論預測與最初的理論不同，而且符合曾經的實驗證據以及費米實驗室得到的新數據。如果我們計算對了，那麽實驗和理論的分歧就得以解決，並且那門“未被發現的新科學”並不存在。
我們的結果於2021年4月7日（費米實驗室新測量結果發布的同一天）發布在《自然》上。
μ子與標準模型
粗略來說，μ子與電子相似，但更重、不穩定。μ子遍布我們周圍，例如，宇宙射線與地球大氣層中的粒子碰撞時就會產生μ子。它們能夠穿透物質，研究人員利用它們來探測巨型火山、埃及金字塔等難以接近的結構內部。
μ子和電子一樣，擁有一個單位電荷，可以產生微弱的磁場。磁場的強度和方向稱為磁矩。
宇宙中幾乎所有的東西，從原子的構造到手機的工作方式，再到星係的運動，都可以用四種相互作用來描述。你可能對前兩種很熟悉：引力和電磁作用。第三種是弱相互作用，這是造成放射性衰變的原因。最後是強相互作用，即把原子核中的質子和中子結合在一起的力。物理學家把這個框架（minus gravity）稱為粒子物理學的標準模型。
標準模型的所有相互作用都會影響μ子的磁矩，而且每種相互作用都有多種不同的影響方式。物理學家非常準確地知道電磁和弱相互作用是如何影響μ子磁矩的，但是事實證明，很難確定強相互作用對μ子磁場的影響方式。


μ子的磁場已被證明是很難預測的。圖源：Newton Henry Black/Wikimedia Commons
磁性的謎團
強相互作用對μ子磁矩的所有作用中，效果最大的、同時也是最難精確計算的被稱為領頭階的強子真空極化。
過去，為了定量這種作用，物理學家使用了一種糅合實驗和理論的方法。他們收集電子與正電子（電子的反粒子）碰撞的數據，並用這些數據來計算強相互作用對μ子磁矩的作用。幾十年來，物理學家一直在使用這種方法來進一步完善估計值。最新的結果來自2020年，得出了非常精確的估計值。
幾十年來，實驗物理學家們一直在測試磁矩的計算。直到2021年4月7日，最精確的實驗結果“15歲”了。為了進行這項測量，在布魯克海文國家實驗室，研究人員在粒子加速器中製造了μ子，然後觀察了它們是如何通過一個50英尺寬（15米）的巨大電磁鐵所產生的磁場的。通過測量μ子的運動和衰變方式，他們能夠直接測量出μ子的磁矩。令人驚訝的是，2006年布魯克海文實驗室直接測量出的μ子磁矩比理論上的預期值大。
麵對理論值和實驗測量值的差異，我們有三個選擇：要麽理論預測不正確，要麽實驗出了問題，要麽正如許多物理學家相信的那樣，這是新科學被發現的征兆。
所以答案是什麽呢？
新理論
我和同事們選擇第一個：理論在某個地方出了問題。因此，我們決定找到更好的預測方法。我們團隊的物理學家把強相互作用最基本的方程放到時空網格上，一次求解盡可能多的方程。
這個方法有點像天氣預報的方法。商用飛機在飛行過程中，會在給定點測量壓力、溫度、風速。相似地，我們在時空網格上運用強相互作用的方程。之後各個點的天氣數據被導入超級計算機，計算機將基於所有數據來預測天氣的變化。我們團隊把強相互作用力放在時空格網上，並研究這些場的變化。搜集的數據越多，預測便會更好。我們搜集了大量數據以得到盡可能精確的磁矩計算值，計算過程耗費了歐洲多個超算中心數百萬個計算機處理小時。
我們的新方法對μ子磁場強度的估計值與布魯克海文科學家測量的實驗值非常接近。它從本質上彌合了理論和實驗測量之間的鴻溝，如果是真的，那麽幾十年來指導粒子物理學的標準模型的的確確是貨真價實的。


費米實驗室的實驗中使用了來自布魯克海文的同一塊磁鐵，測出了幾乎相同的μ子磁矩。圖源：Reidar Hahn/Fermilab
新實驗
但我和我的同事並不是唯一在努力探索這個謎團的人。其他科學家，比如費米實驗室（芝加哥附近的一個粒子加速器）的科學家，選擇測試第二種選擇：實驗出錯了。
為了得到更精確的結果，物理學家在費米實驗室一直持續著布魯克海文實驗室的實驗，並采用了更密集的μ子源。費米實驗室的測量值和以前的結果幾乎完全一樣！
費米實驗室的結果有力地證明實驗測量並沒有出錯。我和我同事得到的新的理論預測與這些實驗結果相符。盡管新物理學聽上去很讓人興奮，但標準模型仍然保持著其地位。
但有一個謎團仍然存在：為何原始預測和我們新的預測之間存在差距？
我和我的團隊都相信我們的結果是正確的，但我們的結果尚屬首個、仍需其他的計算以支持或推翻我們的結果。
撰文：Zoltan Fodor，賓州州立大學的物理學教授以及計算和數據科學研究所（ICDS）研究員
翻譯：陳思航
審校：曾小歡
引進來源：theconversation


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