机器之心编辑部
人类的智慧与宇宙真理之间只有那0.1%的差距吗？ 这可能意味着一种全新类型的粒子，甚至是一种未知的力。
美国费米加速器实验室（FNAL）Muon g-2团队于4月7日发布了万众瞩目的消息，加剧了自然与理论之间的巨大冲突。
一项为期两年的物理学研究终于展示了可能揭示新粒子存在并颠覆当今基础物理学的结果。
比原子小的粒子称为亚原子。 半个世纪以来，我们对亚原子世界的认识一直没有突破。 20世纪60年代和1970年代发展的理论现已被合并到“粒子物理标准模型”中。 尽管存在一些无法解释的现象（例如暗物质、暗能量），但科学家们已经通过测量检验了标准模型的预测，并且一些理论成功地通过了检验。
然而，总有一些领域存在例外。 例如，关于称为μ子的亚原子粒子的磁性，数据和理论之间一直存在分歧。 科学家们已经等待了 20 多年，以确定这种差异是否确实存在。
现在，费米加速器实验室的一项实验正在慢慢结束漫长的等待。
μ子是寿命较短的亚原子粒子，像我们更熟悉的电子一样，带有电荷和自旋。 μ 子的质量是其近亲电子的 200 倍，是宇宙射线撞击地球大气层时自然产生的。 此外，它们还会在百万分之一秒内衰减，这使得它们难以研究。
无论是在微观还是宏观层面，一个既带电又旋转的物体就是一块“磁铁”，μ介子也不例外。 物理学家将这种材料组成的磁体的磁性称为“磁矩”。 人们可以使用 20 世纪 30 年代提出的传统量子力学理论来预测电子和 μ 子的磁矩。 但当实验物理学家在1948年首次测量电子磁矩时，它比理论值高出了0.1%。
这种微小差异的原因可以追溯到一些真正未知且神秘的量子行为——在物理世界的极小尺度上，空间不是静止的，而是被无尽的混沌所取代。 在这里，成对的粒子和反物质粒子在眨眼间出现。 这些粒子对通过借用能量而产生，并在短时间内湮灭以返回能量。
人类无法直接观察到这种疯狂物体的出现和消失。 但如果你接受这个理论并计算它对μ子和电子磁矩的影响，你会发现它与那微小的0.1%的误差是一致的。 这一计算结果于1948年首次被发现。
在接下来的70年里物理学家崔，科学家们继续以小数点前后十二位数字的惊人精度预测和测量μ子和电子的磁矩。
结果发现，测量结果和预测结果几乎相同：前十位数字是相同的数字。 然而，理论和实践在最后两位数字上存在分歧。 这种误差比预测和测量之间的不确定性造成的差异更大，而且两者之一总是有问题。
我们知道物理学是一门自然科学，其目的是寻求对自然现象逻辑上简单的描述。 如果数据和理论不一致，显然其中之一或两者都是错误的。 人类测量可能是错误的，计算可能是错误的，或者计算可能不包括所有相关的影响。 如果最后一个选项是正确的（有些因素被忽略），则意味着我们的物理标准模型是不完整的。
这意味着现实的物理世界中存在一些新的、意想不到的事物。
过去20年来，对μ子磁矩最好的实验测量是由纽约长岛布鲁克海文国家实验室的μ子g-2实验进行的。 “g-2”是一个历史术语，特指比标准量子力学预测高0.1%的量——标准量子力学预测电子或μ子的磁矩为“g”。
理论和测量之间的差异是巨大的，如果将此差异除以实验和理论不确定性之和，则得到 3.7。
科学家将此比率称为“西格玛”，并使用西格玛来评估测量的显着性。 如果西格玛小于3，科学家会认为它无趣。 如果西格玛在 3 到 5 之间，科学家就会感兴趣，并将其称为“发现的证据”。 如果 sigma 大于 5，则科学家确信差异是真实且有意义的。 对于 5 以上的西格玛物理学家崔，科学家通常将他们的论文命名为“ on...”。 5西格玛是一个重大发现。
因此，布鲁克海文 Muon g-2 实验报告的 3.7 sigma 结果虽然重要，但缺乏足够的说服力。 需要新的测量来提供进一步的支持。
然而，布鲁克海文的加速器设施已尽力而为。 为了做得更好，需要更强大的μ介子源。 接力棒被传递到了位于芝加哥以西的美国旗舰粒子物理实验室费米实验室。
因此研究人员将 g-2 仪器捆绑在一起并发送给费米实验室。 G-2装置形状像一块板，宽50英尺，厚6英尺，通过陆路运输并不容易。 于是他们把设备放到了一艘货船上。 这艘货船沿着美国东海岸、密西西比河及其部分支流行驶，抵达伊利诺伊州东北部费米拉布附近的一个港口。 然后他们把设备装上平板卡车，深夜开往费米实验室。 2013年7月26日，g-2实验相关工作在费米实验室启动。
科学家们的下一步包括建造建筑物、加速器和基础设施以进行进一步的测量。 2018 年春天，科学家开始获取数据。 此后的每一年，科学家们都会花费数月时间进行实验和收集数据。 每年的实验称为一次运行，费米实验室 Muon g-2 实验预计运行五次，包括未来的几次。
费米实验室可以产生比布鲁克海文更多的 μ 子——在运行的第一年（2018 年），费米 μ 子 g-2 实验收集的数据比之前所有 μ 子实验的总和还多。 第一次运行收集并分析了超过 80 亿个μ子。
费米实验室加速器的核心是一个直径50英尺的超导磁存储环。 这个令人印象深刻的实验在 -267.78°C 下进行。
这项研究中的测量结果非常精确，精确度为 12 位数字。 这就像测量地球赤道长度的精度小于一张打印纸的厚度一样。
费米实验室使用 g-2 设备进行的最新测量证实了布鲁克海文早期的测量是正确的。 当两个实验室的数据合并时，数据与理论之间的差异目前为 4.2 sigma，这非常接近“观察......”标准，但还不够。
另一方面，最新的测量报告是基于单次运行的。 由于加速器和设施的改进，研究人员希望记录的数据量是以前记录的 16 倍。 如果所有数据得到的测量结果与本次报告的测量结果一致，并且测量结果的准确性如预期提高，那么g-2实验很可能最终证明“标准模型”不是一个完整的理论。 虽然现在下这个结论还为时过早，但现在看来是有可能的。
费米实验室表示，新的 4.2 西格玛结果出现统计波动的可能性约为四万分之一。
这意味着什么？ 如果未来的测量产生相同的结果，则需要修改标准模型。
这一物理世界的新发现在正式发布之前就已经引起了其他期刊的关注。 μ子偏离标准模型计算的有力证据可能暗示令人兴奋的新物理概念。 对我们来说，μ子可以成为进入亚原子世界的窗口。
亚原子领域似乎正在发生一些不寻常的事情，μ子的磁矩可能与标准模型预测的不一样。
物理学会被破坏吗？ 目前来看，“标准模型”被彻底抛弃的可能性似乎不大。 “标准模型”适用于其他不太精确的测量。 更有可能的是，这个领域存在一类尚未发现的未知亚原子粒子，甚至是一种未知的力量。
标准模型的扩展称为“超对称”可能是正确的。 超对称性预测亚原子粒子的数量将是标准模型的两倍。 在纯粹的超对称理论中，这些新粒子将具有与已知粒子相同的质量，但许多测量都排除了这种可能性。
然而，超对称理论可能有修改版本。 该理论认为，未发现的同级粒子比已知粒子重。 如果是这样，它将以正确的方式修改μ子磁矩的预测，从而使数据和理论保持一致。
粒子物理学中的超对称性。 概念图显示了超对称原理 (SUSY) 引入的标准模型粒子及其较重的超对称伙伴。
但超对称只是一种可能的解释。 简单的事实是：可能有许多不同种类的亚原子粒子尚未被发现。 一些解释暗物质的新理论可能是相关的。 也许还有一些我们还没有想到的事情。
但不知道并不是坏事。 这只是意味着我们有很多新东西要学习，有很多新问题要解决。 理论物理学家已经在思考这种新测量方法的含义，以及可以解释它的理论类型。 重要的是，我们要接受这样一个事实：我们长期以来认为理所当然甚至被视为真理的一套理论是不完整的，需要重新思考。 科学研究就是这样进步的。
从目前的结果来看，这样说可能还为时过早。 研究人员还需要分析其他运行，以验证更准确的结果，从而验证当前的测量结果。
简述Muon g-2实验的意义。 （漫画作者Jorge Cham）
费米实验室表示，Muon g-2实验的第二轮和第三轮数据分析正在进行中，第四轮正在进行中，第五轮正在计划中。
费米实验室研究副主任乔说：“证实μ介子的微妙行为是一项了不起的成就，它将在未来几年指导标准模型之外的新物理学研究。” “对于粒子物理研究来说，这是一个激动人心的时刻，费米实验室处于前沿。”
我们或许可以期待新的诺贝尔奖的诞生。 至少在《生活大爆炸》最后一季中，谢尔顿和艾米提出了一个新理论，并得到了费米实验室科学家的证实：
为了让大家更好地了解这个实验的内容和意义，费米实验室还制作了一个科普视频。 有兴趣的同学可以点击观看。
参考内容：
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