粒子物理標準模型錯了？美國新發現公佈：宇宙中或存在第五種基本力_風聞

今天發生了一件轟動物理學界的大事件。

美國費米實驗室最新的實驗結果，可能顛覆我們50年來都奉為圭臬的粒子物理標準模型。

△Meon g-2實驗裝置（圖片來自費米實驗室）

標準模型是解釋夸克、電子等微觀粒子的物理模型，在微觀領域取得了巨大的成功。10年前人們發現希格斯玻色子，至此標準模型預言的所有粒子都被發現。

但費米實驗室的實驗結果指出，世界上可能還有標準模型未能預言的粒子。這篇研究論文今天發表在頂級期刊《物理評論快報》上。

實驗發現，μ子的磁性超出了理論預測，雖然只相差0.1%，但卻難以用標準模型解釋。

μ子可以説是電子的“表哥”，它和電子的帶電量一致，卻比電子重207倍。通過測量表示μ子磁性的g因子，物理學家可能發現了背後隱藏的未知粒子。

什麼是g因子

像電子和μ子這樣的粒子不僅帶電，還具有磁場，就像一個“小磁針”。

要解釋這種現象，我們可以把它們看成是高速旋轉的小球，電荷轉動就會產生磁場。

我們還可以根據這種模型，用經典電磁理論算出電子或者μ子的磁矩。

不過，微觀粒子的“自旋”（spin）並不能簡單地看成是自轉，粒子的真實磁矩，和經典物理方法算出的磁矩會相差一個倍數，這就是g因子。

如何微觀粒子符合經典模型，那麼g因子就等於1，然而實際上g因子一般都不等於1，因為自旋是一種量子力學才能描述的行為。

對於電子和μ子來説，g因子約等於2。因為它倆的自旋都是1/2，相當於一個物體旋轉2圈才能和自己重合。

但是它們的g因子又不完全等於2，至於為什麼，我們接下來再説。

g因子為何不等於2

1947年，實驗發現電子的g因子約為2.00232。

要解釋這一結果，必須要使用量子電動力學（QED）。和過去的量子力學不同，QED並不認為真空空無一物，會無時無刻產生和消失虛粒子，產生量子波動。

物理學家施温格隨後在論文中這樣解釋g因子不等於2的原因：因為電子在真空中會發射出光子，隨後又吸收，從而改變了電子的磁場。

μ子亦是如此。

量子波動越少，對電子或μ子的g因子的影響就越小。

產生虛光子只是一種改變磁矩的方式，電子或μ子也可能產生其他的重粒子，只不過概率要小得多。

而μ子的比電子重207倍，產生重粒子的概率更大，量子波動更大，對g因子的影響也更大。

電子的g因子大約是2.002319，μ子大約是2.002332。當然，這些測量值在實驗誤差範圍內都符合QED的預測。

數十年來，理論物理學家一直在努力精確計算g因子，另一方面實驗物理學家也在不斷提高精度測量g因子。

一旦二者出現了超出預期而又無法解釋的偏差，那麼可能意味着，與μ子相互作用的粒子中有我們所未知的。它可能是暗物質粒子，也可能是超對稱理論預言的粒子。

μ子的g因子與2的差值是其中的關鍵，因此這類實驗被叫做Muon g-2。

測量g因子

第一個Muon g-2實驗是歐洲核子研究中心在1959年做的，結果符合量子電動力學。

美國布魯克海文實驗室之後進行了多次測量。

2006年，物理學家發現μ子磁矩的測量值和理論值差距達到了3.7σ，但仍然很難否認是實驗誤差導致的結果。

此後，費米實驗室接過了Muon g-2實驗，由於經費限制，他們不得不使用布魯克海文實驗室的磁鐵，這是一個直徑15米的超導磁環。

由於體積巨大， 這顆核心實驗裝置先被裝船經過海運、河運，最後轉移到專門設計的卡車上，才運達目的地。

物理學家先撞擊質子來製造大量的μ子，然後將μ子注入到磁環中。

雖然μ子的壽命極短，只有幾微秒，但是它的速度非常接近光速，可以在磁環中運轉上百圈，已經足夠完成測量。

磁場中的μ子就像在地面上轉軸傾斜的陀螺，自轉軸高速地改變着方向（物理學中稱之為“進動”）。

μ子每在磁環中旋轉一圈，其自轉軸就偏轉大約12度。

物理學家要做的就是精確測量磁環內的磁場強度，以及μ子自轉軸的偏轉速度。通過這兩個數值就能計算出μ子的磁矩，從而得到g因子。

實驗結果的計算量非常之大，需要歐洲多個超級計算機中心花費數億個CPU小時，才能完成數據處理。

最終，物理學家得到μ子的g因子為2.00233183908，與量子電動力學理論值的偏差為4.2σ。

這意味着，由統計偏差導致結果異常的概率不超過0.0013％。

意義

現在的發現僅僅是初步結果，物理學家只分析了其中一部分數據，他們還需要一兩年才能完成對所有數據結果的分析。

如果實驗結果確實成立，那麼將顛覆粒子物理學的標準模型，我們必須改寫標準模型，引入新的粒子。

也有物理學家對此持懷疑態度。還記得2011年那一個超光速的實驗發現嗎，當科學家以為顛覆了相對論，結果卻是實驗電纜沒有插牢。

來自CERN的科學家Andreas Crivellin表示：“數據或數據的解釋方式可能會誤導人。”他正在與另一位學者合寫一篇論文來解釋該結果。

“就算最終結果沒有改變什麼，那麼看到理論和實驗保持一致也令人興奮。”賓州州立大學物理學教授Zoltan Fodor如是説。