當(dāng)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與當(dāng)時(shí)最好的理論所做的預(yù)測(cè)不一致時(shí)，就一定是哪里出了問(wèn)題。

15年前，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些令人費(fèi)解的現(xiàn)象。μ介子, 一種亞原子粒子, 正在以出乎意料的方式運(yùn)動(dòng)，這與理論預(yù)測(cè)不相符。這個(gè)理論是錯(cuò)的嗎?實(shí)驗(yàn)取消了嗎?或者，這是新物理學(xué)的證據(jù)嗎?

從那以后，物理學(xué)家們一直試圖解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)小組處理了實(shí)驗(yàn)方面的問(wèn)題，并發(fā)布了證實(shí)原始測(cè)量結(jié)果的通告, 但我和同事們采取了不同的方法。

我是一名理論物理學(xué)家，也是布達(dá)佩斯-馬賽-伍珀塔爾合作項(xiàng)目(Budapest-Marseille-Wuppertal collaboration) 的發(fā)言人和兩名協(xié)調(diào)人之一。這是一場(chǎng)大規(guī)模的物理學(xué)家合作，他們一直在試圖驗(yàn)證舊的理論預(yù)測(cè)是否錯(cuò)誤。我們使用了一種新的方法來(lái)計(jì)算μ介子如何與磁場(chǎng)相互作用。

我的團(tuán)隊(duì)的理論預(yù)測(cè)不同于原來(lái)的理論，既符合舊的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也符合新的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。如果我們的計(jì)算是正確的，它就解決了理論和實(shí)驗(yàn)之間的差異，并表明自然界不存在一種未被發(fā)現(xiàn)的力量。

我們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上，與新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同一天發(fā)表。

物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型是迄今為止最精確的宇宙理論。(圖片來(lái)源:Cush/Wikimedia Commons)

介子和標(biāo)準(zhǔn)模型

μ介子比電子更重且并不穩(wěn)定, 它們就在我們身邊。例如，當(dāng)宇宙射線與地球大氣層中的粒子相撞時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生μ介子, 它們能夠穿過(guò)物質(zhì)。研究人員已經(jīng)利用它們探測(cè)了火山, 埃及金字塔等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

μ介子和電子一樣，帶有電荷并產(chǎn)生微小的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向稱為磁矩。

宇宙中的一切——從原子如何形成到你的手機(jī)如何工作，再到星系如何運(yùn)動(dòng)——幾乎都可以用四種相互作用來(lái)描述。你可能對(duì)前兩個(gè)很熟悉:重力和電磁學(xué)。第三種是弱相互作用，這是造成放射性衰變的原因。最后是強(qiáng)相互作用，這種力將原子核中的質(zhì)子和中子結(jié)合在一起。物理學(xué)家稱這個(gè)框架(減去重力)為粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。

標(biāo)準(zhǔn)模型的所有相互作用都對(duì)μ介子的磁矩有所貢獻(xiàn)，而且每個(gè)相互作用都以多種不同的方式產(chǎn)生作用。物理學(xué)家非常精確地知道電磁和弱相互作用是如何做到這一點(diǎn)的，但要確定強(qiáng)相互作用是如何影響μ介子磁場(chǎng)的，已被證明是極其困難的。

μ介子的磁場(chǎng)已被證明難以預(yù)測(cè)。(圖片來(lái)源:Newton Henry Black/Wikimedia Commons)

有關(guān)磁的謎團(tuán)

在強(qiáng)相互作用對(duì)μ介子磁矩的所有影響中，最大且最難以精度計(jì)算的影響被稱為領(lǐng)先階強(qiáng)子真空偏振。

過(guò)去，為了計(jì)算這種效應(yīng)，物理學(xué)家們使用了理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。他們將從電子和正電子(即電子的對(duì)立面)之間的碰撞中收集數(shù)據(jù)，并用這些數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算強(qiáng)相互作用對(duì)μ介子磁矩的貢獻(xiàn)。幾十年來(lái)，物理學(xué)家們一直在使用這種方法來(lái)進(jìn)一步完善這一估計(jì)。最新的結(jié)果出自2020年，物理學(xué)家們已經(jīng)得出了非常精確的估計(jì)。

這種磁矩的計(jì)算方法是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家?guī)资陙?lái)一直在測(cè)試的。最精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)自15年前的實(shí)驗(yàn)。在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，研究人員在粒子加速器中創(chuàng)造了μ介子，然后用一個(gè)50英尺寬(15米)的巨大電磁鐵觀察它們?nèi)绾卧诖艌?chǎng)中移動(dòng)。通過(guò)測(cè)量μ介子運(yùn)動(dòng)和衰變的方式，他們能夠直接測(cè)量μ介子的磁矩。當(dāng)布魯海文2006年直接測(cè)量的μ介子磁矩比理論上的數(shù)據(jù)更大時(shí)，人們感到非常驚訝。

面對(duì)這種差異，有三種選擇:要么理論預(yù)測(cè)不正確，要么實(shí)驗(yàn)不正確，要么正如許多物理學(xué)家所相信的那樣，這是一種未知的自然力量的跡象。

到底是哪一個(gè)呢?

新理論

我和同事們選擇了第一個(gè):這個(gè)理論可能在某種程度上是錯(cuò)誤的。所以，我們決定嘗試找到一種更好的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)。我們的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)選取了最強(qiáng)相互作用最基本的基礎(chǔ)方程，把這些方程放在一個(gè)時(shí)空網(wǎng)格上，同時(shí)盡可能多地求解它們。

這項(xiàng)技術(shù)有點(diǎn)像做天氣預(yù)報(bào)。商業(yè)飛機(jī)在飛行途中，會(huì)測(cè)量地球上給定點(diǎn)的壓力、溫度和風(fēng)速。類似地，我們把強(qiáng)相互作用方程放在時(shí)空網(wǎng)格上, 然后將各個(gè)點(diǎn)的天氣數(shù)據(jù)輸入一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)將所有數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，以預(yù)測(cè)天氣的演變。我們的團(tuán)隊(duì)將強(qiáng)相互作用力放在網(wǎng)格上，并尋找這些磁場(chǎng)的演化。在天氣預(yù)報(bào)中, 收集數(shù)據(jù)的飛機(jī)越多，預(yù)測(cè)就越好。運(yùn)用這個(gè)比喻，我們使用數(shù)十億架飛機(jī)來(lái)計(jì)算最精確的磁矩，即在歐洲的多個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)中心使用計(jì)算機(jī)處理數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的時(shí)間。

我們的新方法對(duì)μ介子磁場(chǎng)強(qiáng)度的估計(jì)與布魯克海文科學(xué)家測(cè)量的實(shí)驗(yàn)值非常接近。它基本上彌合了理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量之間的差距。如果實(shí)驗(yàn)無(wú)誤，就證實(shí)了指導(dǎo)粒子物理學(xué)幾十年的標(biāo)準(zhǔn)模型仍然正確, 也并不存在無(wú)形的神秘力量。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，使用來(lái)自布魯克海文的相同磁鐵，測(cè)量了μ介子的磁矩, 與布魯克海文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。(圖片來(lái)源:雷達(dá)·哈恩/費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室)

新的實(shí)驗(yàn)

但我和我的同事并不是唯一追尋這個(gè)謎團(tuán)的人。其他科學(xué)家，比如芝加哥附近粒子加速器費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們，選擇了測(cè)試第二種選擇:布魯克海文的實(shí)驗(yàn)有誤。

在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，物理學(xué)家們一直在繼續(xù)布魯克海文完成的實(shí)驗(yàn)，以測(cè)量更精確的μ介子磁矩。他們使用了更強(qiáng)的μ介子源，從而得到了更精確的結(jié)果, 并與舊的測(cè)量結(jié)果幾乎完全吻合。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果有力地表明實(shí)驗(yàn)是正確的。我和我的同事所做的新的理論預(yù)測(cè)與這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果都相吻合。雖然發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)的線索可能是令人興奮的，但我們的新理論似乎表明，這一次，標(biāo)準(zhǔn)模型是成立的。

但仍有一個(gè)謎:最初的預(yù)測(cè)和我們新的理論結(jié)果之間的差距。我和我的團(tuán)隊(duì)相信我們的結(jié)果是正確的，但這是科學(xué)界首次得出這樣的結(jié)果。在科學(xué)的探索之路上，總是需要做其他的計(jì)算來(lái)證實(shí)或反駁它。

BY:Zoltan Fodor

FY: James Xu

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