粒子物理标准模型错了？电子“表哥”磁性超出理论预计，物理学家找到未知粒子存在证据

晓查 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

今天发生了一件轰动物理学界的大事件。

美国费米实验室最新的实验结果，可能颠覆我们50年来都奉为圭臬的粒子物理标准模型。

△Meon g-2实验装置（图片来自费米实验室）

标准模型是解释夸克、电子等微观粒子的物理模型，在微观领域取得了巨大的成功。10年前人们发现希格斯玻色子，至此标准模型预言的所有粒子都被发现。

但费米实验室的实验结果指出，世界上可能还有标准模型未能预言的粒子。这篇研究论文今天发表在顶级期刊《物理评论快报》上。

实验发现，μ子的磁性超出了理论预测，虽然只相差0.1%，但却难以用标准模型解释。

μ子可以说是电子的“表哥”，它和电子的带电量一致，却比电子重207倍。通过测量表示μ子磁性的g因子，物理学家可能发现了背后隐藏的未知粒子。

什么是g因子

像电子和μ子这样的粒子不仅带电，还具有磁场，就像一个“小磁针”。

要解释这种现象，我们可以把它们看成是高速旋转的小球，电荷转动就会产生磁场。

我们还可以根据这种模型，用经典电磁理论算出电子或者μ子的磁矩。

不过，微观粒子的“自旋”（spin）并不能简单地看成是自转，粒子的真实磁矩，和经典物理方法算出的磁矩会相差一个倍数，这就是g因子。

如何微观粒子符合经典模型，那么g因子就等于1，然而实际上g因子一般都不等于1，因为自旋是一种量子力学才能描述的行为。

对于电子和μ子来说，g因子约等于2。因为它俩的自旋都是1/2，相当于一个物体旋转2圈才能和自己重合。

但是它们的g因子又不完全等于2，至于为什么，我们接下来再说。

g因子为何不等于2

1947年，实验发现电子的g因子约为2.00232。

要解释这一结果，必须要使用量子电动力学（QED）。和过去的量子力学不同，QED并不认为真空空无一物，会无时无刻产生和消失虚粒子，产生量子波动。

物理学家施温格随后在论文中这样解释g因子不等于2的原因：因为电子在真空中会发射出光子，随后又吸收，从而改变了电子的磁场。

μ子亦是如此。

△ μ子产生虚光子改变了磁矩（图片来自Quanta Magazine）

量子波动越少，对电子或μ子的g因子的影响就越小。

产生虚光子只是一种改变磁矩的方式，电子或μ子也可能产生其他的重粒子，只不过概率要小得多。

而μ子的比电子重207倍，产生重粒子的概率更大，量子波动更大，对g因子的影响也更大。

电子的g因子大约是2.002319，μ子大约是2.002332。当然，这些测量值在实验误差范围内都符合QED的预测。

数十年来，理论物理学家一直在努力精确计算g因子，另一方面实验物理学家也在不断提高精度测量g因子。

一旦二者出现了超出预期而又无法解释的偏差，那么可能意味着，与μ子相互作用的粒子中有我们所未知的。它可能是暗物质粒子，也可能是超对称理论预言的粒子。

μ子的g因子与2的差值是其中的关键，因此这类实验被叫做Muon g-2。

测量g因子

第一个Muon g-2实验是欧洲核子研究中心在1959年做的，结果符合量子电动力学。

美国布鲁克海文实验室之后进行了多次测量。

2006年，物理学家发现μ子磁矩的测量值和理论值差距达到了3.7σ，但仍然很难否认是实验误差导致的结果。

此后，费米实验室接过了Muon g-2实验，由于经费限制，他们不得不使用布鲁克海文实验室的磁铁，这是一个直径15米的超导磁环。

由于体积巨大， 这颗核心实验装置先被装船经过海运、河运，最后转移到专门设计的卡车上，才运达目的地。

△ 实验用到的巨大超导磁环（图片来自美国费米实验室）

物理学家先撞击质子来制造大量的μ子，然后将μ子注入到磁环中。

虽然μ子的寿命极短，只有几微秒，但是它的速度非常接近光速，可以在磁环中运转上百圈，已经足够完成测量。

磁场中的μ子就像在地面上转轴倾斜的陀螺，自转轴高速地改变着方向（物理学中称之为“进动”）。

μ子每在磁环中旋转一圈，其自转轴就偏转大约12度。

△ 实验装置原理（图片来自Quanta Magazine）

物理学家要做的就是精确测量磁环内的磁场强度，以及μ子自转轴的偏转速度。通过这两个数值就能计算出μ子的磁矩，从而得到g因子。

实验结果的计算量非常之大，需要欧洲多个超级计算机中心花费数亿个CPU小时，才能完成数据处理。

△用于计算μ子磁矩的7台超算之一（图片来自德国尤利希研究中心）

最终，物理学家得到μ子的g因子为2.00233183908，与量子电动力学理论值的偏差为4.2σ。

这意味着，由统计偏差导致结果异常的概率不超过0.0013％。

意义

现在的发现仅仅是初步结果，物理学家只分析了其中一部分数据，他们还需要一两年才能完成对所有数据结果的分析。

如果实验结果确实成立，那么将颠覆粒子物理学的标准模型，我们必须改写标准模型，引入新的粒子。

也有物理学家对此持怀疑态度。还记得2011年那一个超光速的实验发现吗，当科学家以为颠覆了相对论，结果却是实验电缆没有插牢。

来自CERN的科学家Andreas Crivellin表示：“数据或数据的解释方式可能会误导人。”他正在与另一位学者合写一篇论文来解释该结果。

“就算最终结果没有改变什么，那么看到理论和实验保持一致也令人兴奋。”宾州州立大学物理学教授Zoltan Fodor如是说。

参考链接：
[1]https://www.quantamagazine.org/muon-g-2-experiment-at-fermilab-finds-hint-of-new-particles-20210407/
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-021-00898-z
[3]https://phys.org/news/2021-04-strength-muon-magnetic-field-aligns.html