物理學或將迎來重大突破，費米實驗室最新結果暗示，可能存在第 5 種基本作用力_風聞

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根據費米實驗室最新發布的測量數據，μ 子在磁場中的行為與標準模型的預測不一致。這表明可能存在一些標準模型無法解釋的物理現象，甚至可能涉及到一種新的基本作用力。

文 | 喬恩・巴特沃思（Jon Butterworth）

譯 | 禮世傑

編 | 陳強

原文刊載於《科學焦點》2024 年第 01 期

在美國芝加哥附近的費米實驗室，一個國際科學團隊對 μ 子與磁場的相互作用進行了更精確的測量，並於 2023 年 8 月 10 日公佈了最新測量結果。

物理學家對這次測量結果充滿了期待，主要是因為之前的測量結果與粒子物理學的標準模型存在着顯著的差異。對於這一差異，一種可能的解釋是，宇宙中存在第 5 種基本作用力。那麼，真的存在一種目前尚未發現的基本作用力嗎？這次測量結果又能告訴我們什麼？

第 5 種基本作用力影響了 μ 子磁矩？

我們知道，自然界中目前已知的基本作用力有 4 種，分別是引力、電磁力、強核力和弱核力。

廣義相對論精確地描述了引力，而粒子物理學的標準模型解釋了其他 3 種基本作用力。第 5 種基本作用力將超出現有的物理學框架，因此，它的發現將是物理學家探索宇宙本質的一個重大突破。

物理學家一直渴望取得這種突破，因為儘管標準模型可以近乎完美地解釋很多物理現象，但它並不是一個完整的“萬物理論”。

例如，標準模型還無法解釋引力。事實上，廣義相對論和標準模型在非常高的能量下是不相容的。對於物理學家來説，任何與理論不符的測量結果都會被視為一種線索，表明可能存在更全面、更有解釋力的理論。

費米實驗室的測量結果讓物理學家感到，這樣的突破可能就在眼前。根據標準模型，μ 子是一種基本粒子，也就是説，它是構成物質的基本單位之一。μ 子與電子非常相似，但質量大約是電子的 210 倍。

μ 子除了帶有負電荷以外，還有一種內稟的角動量，這種屬性稱為自旋。根據物理學規律，μ 子會產生一個微小的磁矩，就像一個微型磁針。當 μ 子處於磁場中時，它的磁矩會發生進動，好比旋轉的陀螺會發生搖晃一樣。μ 子磁矩的大小決定了進動頻率的大小。

在費米實驗室，物理學家把數十億個 μ 子送入一個存儲環中，利用精確校準的電場和磁場控制它們，這樣就可以測量 μ 子在磁場中的進動頻率。

μ 子的進動頻率可以通過標準模型非常精確地計算出來。計算還涉及到了所謂的“虛粒子”，它們是一種無法被直接探測到的粒子，但會在量子漲落中短暫現身，與 μ 子產生相互作用，從而改變 μ 子的磁矩和進動頻率。如果實驗的測量結果與標準模型的預測不符，那麼，這可能意味着在量子漲落過程中出現了一種未知的粒子。

一種可能是，這個未知粒子是第 5 種基本作用力的媒介粒子。這種新的粒子類似於光子，因為光子就是電磁力的媒介粒子，但這種新粒子並不包含在標準模型的框架內。

費米實驗室的儲存環能產生磁場，可用來精確測量 μ 子的進動情況。（圖片來源：Reidar Hahn / Fermilab）來自理論與實驗方面的挑戰

費米實驗室對 μ 子磁矩的最新測量，再次驗證了之前的測量結果。而且，這次測量結果的精度更高。然而，在物理學家宣佈發現第 5 種基本作用力之前，還有兩個重要的問題需要解決。

首先，理論預測方面還存在問題。目前的理論預測值是根據一種被廣泛接受的計算方法得出的，然而，還有其他的計算方法也可以給出預測值。這些預測值都不盡相同，有些更接近測量結果。

儘管實驗與理論之間的差異可能暗示着存在某種新的物理現象，但在宣佈第 5 種基本作用力真的存在之前，物理學家還需要進一步確定理論預測值究竟是多少。

第二個問題更具挑戰性，但也更加令人興奮。如果這種差異得到證實，那麼我們就可以確定有一些新的物理現象在起作用，即使我們還不清楚那究竟是什麼。

理想情況是，物理學家根據這個差異提出了新理論，而新理論還帶來了新預測。如果新理論真的與一種新的基本作用力相關，那這個理論可以告訴我們如何找到攜帶新的基本作用力的粒子。

問題是，物理學家必須開展一項能直接探測新粒子的實驗，才能證明新理論是正確的。就像在 2012 年，物理學家利用大型強子對撞機探測到了希格斯玻色子，證明了彼得・希格斯（Peter Higgs）等人的理論。

其他的一些測量實驗，比如在大型強子對撞機上開展的一些實驗，也出現了標準模型無法解釋的現象。不過，這也是探索過程中難免會出現的問題。有些時候，隨着我們獲取更多的數據，展開更深入的研究，這些問題往往就會消失。

費米實驗室將在不久的將來發佈一個更精確的測量結果，而大型強子對撞機也將繼續運行並收集更多數據。有了更精確的實驗數據，物理學家可以更仔細地分析各種測量結果與理論不符的情況。

不管怎樣，μ 子的磁矩是最早也是最明顯的一個與標準模型不符的現象。這個測量結果不太可能是錯誤的。這意味着，如果理論預測問題得到解決，很可能就能表明某種新的、超出標準模型的物理學現象的確存在，甚至可能還存在第 5 種基本作用力。