真的發現第五種基本作用力了嗎？| 科技袁人_風聞

導讀

　　正因為標準模型太成功了，所以物理學家做夢都想超越它，超越它才有希望引起新的物理學革命。

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　　本視頻發佈於2021年4月28****日，點贊量已超5000

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　　最近許多人來問，是不是發現了第五種基本作用力？回答是：沒有，不過在這個方向上發現了一些新現象。具體地説，最近人們精確測量了繆子的磁矩，發現它跟理論預測值不符。不符到什麼程度呢？小數點後第八位，也就是説億分之一的量級（重大突破：交大學者助力費米實驗室的繆子反常磁矩實驗獲得里程碑意義的成果）。

　　理論值是2.00233183620(86)，

　　實驗值是2.00233184122(82)。

　　括號裏是不確定度。

　　你也許會覺得，這點差異不值一提。然而需要注意，理論值和實驗值的置信度都是非常高的，達到小數點後第十位。因此，它們在第八位就有差異是相當驚人的，值得嚴肅對待。更具體的度量是，這個差值達到4.2個標準方差。單純由於統計誤差出現這種情況的概率，只有4萬分之一。

　　值得注意的是，粒子物理實驗中確認一個發現，一般需要達到5個標準方差，這時統計誤差的概率只剩下千萬分之3。因此，繆子磁矩的結果還沒有達到確認的程度。

　　實驗組在繼續採集數據，因為統計誤差跟數據量的平方根成反比，同時在努力改進數據分析方法，降低系統誤差。在理論方面，也需要更多科學家嘗試各種計算方法，減少計算誤差。通過這樣不斷提高精度、減少誤差的過程，我們才能越來越接近真實。

　　之所以很多媒體把這個結果解讀為發現第五種基本作用，是因為它隱含着突破粒子物理標準模型的跡象。標準模型是我們對微觀世界的一種非常成功的定量描述，在許多問題上取得了跟實驗精確符合的結果，並且很多預測都被實驗證實了，例如希格斯粒子。正因為標準模型太成功了，所以物理學家做夢都想超越它，超越它才有希望引起新的物理學革命。

　　繆子就是標準模型中的一種基本粒子。它的性質跟電子相似，帶一個負電荷，只是質量約等於電子的200倍。對繆子磁矩的預測，就是根據標準模型做出的。如果確認了理論值與計算值不符，那麼這就是超越標準模型的明確現象。

　　事實上，物理學家早就發現了一些標準模型不能解釋的現象，如暗物質、CP對稱破缺、正反物質不對稱。但問題在於，對那些現象，標準模型還不能給出定量預測。例如我們還壓根不知道暗物質是什麼粒子呢，所以也就談不上理論與實驗的對照。這次繆子磁矩的測量，是一個理論有定量預測的現象，因此意義重大。

　　但是需要注意，這離所謂發現第五種基本作用還差十萬八千里，八字還沒一撇。科學家都是有一説一的，媒體千萬不要過度引申，讓他們為難。

　　什麼時候才能算真正發現第五種基本作用了？這需要經歷這樣一個漫長的過程：

　　一，發現很多現象不能用標準模型解釋；二，提出一種新理論解釋所有這些偏差；三，用這種新理論預言若干新現象；最後還需要在實驗上觀測到新現象，人們才會信服。按這個標準，標準模型也是在2012年發現希格斯粒子之後，才真正確立地位的。所以，我們探索標準模型外物理的旅程才剛剛開始。

　　瞭解了這個大圖景，你就會明白，提高測量精度本身就是重要成就。例如很多人一提到中國的大型對撞機計劃就問，能取得什麼成果？會不會什麼成果都沒有？然後就大罵是騙錢的。其實它的基本目標是生產大量的希格斯粒子，把對希格斯粒子性質的測量精度提高一個量級，這個目標是十拿九穩能實現的。如果你明白提高測量精度是一切發現的基礎，你就不會問這種外行的問題了。

　　這次繆子磁矩測量的國際合作組是由美國的費米實驗室領銜的，包括了7個國家、35個研究單位的近200位科研工作者。我的朋友洪然博士在費米實驗室參與了這項工作，寫了一篇文章《妙子漫談 | 洪然》，向大家推薦。他把繆子的英文名muon翻譯為妙子，——是啊，大自然是多麼奇妙啊！