我們?nèi)绾伟l(fā)現(xiàn)新粒子或自然力的暗示
七年前，一塊巨大的磁鐵在陸地和海洋上運(yùn)輸了3,200英里(5,150公里)，以期研究一種名為μon的亞原子粒子。
介子與電子緊密相關(guān)，電子繞每個(gè)原子運(yùn)動(dòng)并構(gòu)成物質(zhì)的構(gòu)造塊。電子和介子都具有通過我們當(dāng)前描述亞原子，量子世界和粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型的最佳科學(xué)理論精確預(yù)測的性質(zhì)。
整整一代的科學(xué)家都致力于精確地測量這些特性。在2001年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，暗示該介子的一個(gè)特性與標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測的不完全相同，但需要進(jìn)行新的研究來確認(rèn)。物理學(xué)家將實(shí)驗(yàn)的一部分移至Fermilab的新加速器，并開始獲取更多數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在，一項(xiàng)新的測量結(jié)果已確認(rèn)了初始結(jié)果。這意味著可能存在標(biāo)準(zhǔn)模型中未考慮的新粒子或新力。如果是這種情況，則必須修改物理定律，而且沒人知道這可能會(huì)導(dǎo)致什么。
最新的結(jié)果來自國際合作，我們都是我們的一部分。我們的團(tuán)隊(duì)一直在使用粒子加速器來測量稱為μ子磁矩的特性。
每個(gè)介子在暴露于磁場時(shí)的行為都像一塊細(xì)小的條形磁鐵，這種效應(yīng)稱為磁矩。介子還具有稱為“自旋”的固有特性，并且自旋和介子的磁矩之間的關(guān)系稱為g因子。電子和μ的“ g”被預(yù)測為2，因此g減去2(g-2)應(yīng)該被測量為零。這就是我們正在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的測試。
對(duì)于這些測試，科學(xué)家使用了加速器，這與Cern在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中使用的技術(shù)相同。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室加速器產(chǎn)生大量的μ子，并非常精確地測量它們與磁場的相互作用。
介子的行為受“虛擬粒子”影響，“虛擬粒子科普中國”從真空中彈出或消失。它們短暫地存在，但是持續(xù)足夠長的時(shí)間，以影響μ子與磁場的相互作用并改變測得的磁矩，盡管幅度很小。
標(biāo)準(zhǔn)模型非常精確地預(yù)測出這種效果是什么，而不是百萬分之一。只要我們知道哪些粒子在真空中冒出或冒出氣泡，實(shí)驗(yàn)和理論就應(yīng)該匹配。但是，如果實(shí)驗(yàn)和理論不匹配，那么我們對(duì)虛擬粒子湯的理解可能是不完整的。
新粒子
存在新粒子的可能性并非閑置的推測。這樣的粒子可能有助于解釋物理學(xué)中的幾個(gè)大問題。例如，為什么宇宙中存在如此之多的暗物質(zhì)(導(dǎo)致星系旋轉(zhuǎn)得比我們預(yù)期的快)，以及為什么大爆炸中幾乎所有反物質(zhì)都消失了?
迄今為止的問題是，沒有人看到任何這些提議的新粒子。曾希望Cern的LHC能夠在高能質(zhì)子之間的碰撞中產(chǎn)生它們，但尚未被觀察到。
新的測量方法使用的技術(shù)與本世紀(jì)初在紐約布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)相同，該技術(shù)本身也遵循了Cern的一系列測量方法。
Brookhaven實(shí)驗(yàn)測量出與標(biāo)準(zhǔn)模型之間的差異，該標(biāo)準(zhǔn)模型有5,000的可能性是統(tǒng)計(jì)fl幸。這幾乎與連續(xù)12次投擲硬幣全都抬起頭來的概率相同。
這真是令人著迷，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)現(xiàn)的門檻，發(fā)現(xiàn)門檻通常要求要超過170萬個(gè)，或者連續(xù)21個(gè)投擲。為了確定新物理學(xué)是否正在發(fā)揮作用，科學(xué)家們必須將實(shí)驗(yàn)的靈敏度提高四倍。
為了進(jìn)行更好的測量，必須在2013年將位于實(shí)驗(yàn)中心的磁鐵從長島沿海和陸路移動(dòng)3,200英里，移至芝加哥郊外的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器可能會(huì)產(chǎn)生大量的μ子。
放置到位后，就可以使用最新的檢測器和設(shè)備圍繞磁鐵進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)。muon g-2實(shí)驗(yàn)于2017年開始收集數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)是來自Brookhaven實(shí)驗(yàn)的退伍與新一代物理學(xué)家的合作。
來自費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的第一年數(shù)據(jù)得出的新結(jié)果與布魯克海文實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果一致。合并結(jié)果會(huì)加劇在實(shí)驗(yàn)測量與標(biāo)準(zhǔn)模型之間存在分歧的情況?，F(xiàn)在，機(jī)會(huì)是大約40,000的差異，這是偶然的幸災(zāi)樂禍-仍比黃金標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)門檻低。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)
有趣的是，最近在Cern進(jìn)行的LHCb實(shí)驗(yàn)觀察也發(fā)現(xiàn)可能與標(biāo)準(zhǔn)模型存在偏差。令人興奮的是，這還涉及介子的屬性。這次是從較重的粒子產(chǎn)生μ子和電子的方式上有所不同。兩種速率在標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)期是相同的，但是實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)它們是不同的。
綜上所述，LHCb和Fermilab的結(jié)果加強(qiáng)了以下情況：我們已經(jīng)觀察到標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測失敗的第一個(gè)證據(jù)，并且自然界中會(huì)發(fā)現(xiàn)新的粒子或作用力。
為了最終確認(rèn)，這需要來自Fermilabμon實(shí)驗(yàn)和Cern的LHCb實(shí)驗(yàn)的更多數(shù)據(jù)。未來幾年將會(huì)有結(jié)果。Fermilab已經(jīng)擁有的數(shù)據(jù)是當(dāng)前正在分析的最新結(jié)果的四倍，Cern已開始獲取更多數(shù)據(jù)，并且正在構(gòu)建新一代的μon實(shí)驗(yàn)。對(duì)于物理學(xué)來說，這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)代。
標(biāo)簽： 新粒子
