在對新物理學(xué)的研究中，基于大量粒子加速器內部的高能量的碰撞實(shí)驗往往空手而歸。因此物理學(xué)家轉而把希望寄托于更精確的方法：更少的碰撞和抓取及更多的對擺動(dòng)方式的觀(guān)察。下個(gè)月，美國的研究者將開(kāi)啟這樣一項實(shí)驗。該實(shí)驗將進(jìn)行一次對μ介子——電子的重型表兄弟——在磁場(chǎng)中的行為的超精確測量。而且這或許可以提供全新粒子存在的證據。
Credit: Nature doi:10.1038/544145a
位于伊利諾伊州巴達維亞的費米實(shí)驗室的該項新實(shí)驗所追尋的粒子泄露了部分圍繞于全部形式的物質(zhì)并與之互動(dòng)的虛擬“湯”。量子理論表示，存在時(shí)間短的虛擬粒子會(huì )不斷地“曇花一現”。物理學(xué)家已經(jīng)解釋了已知虛擬粒子的影響，比如光子和夸克。但虛擬“湯”或許仍然包含神秘的未探明的成分。而介子也許對它們尤其敏感。
此項新的μ介子g?2 實(shí)驗將測量這種無(wú)比精確度敏感度。通過(guò)該測量，將再分析困擾了物理學(xué)家十多年的μ介子異常。如果該實(shí)驗證實(shí)這種異常，那么最接近的解釋就是，這是被不存在于現有物理學(xué)劇本——標準模型中的虛擬粒子引發(fā)的。
德國德雷斯頓工業(yè)大學(xué)理論學(xué)家、μ介子g?2實(shí)驗合作成員多米尼克·斯托肯格表示：“這會(huì )是超越標準模型的物理學(xué)以及全新粒子的首個(gè)直接證據?！?/p>
物理學(xué)家急切渴望一種能接替標準模型的理論，一種已經(jīng)非常成功的理論，但還不完整，因為未能解釋如暗物質(zhì)的存在等諸多現象。 位于瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心的大型強子對撞機進(jìn)行了諸多實(shí)驗，盡管表現超出預期，并進(jìn)行了針對超越標準模型的物理對數百種搜索，但仍未揭示出一個(gè)具體的漏洞。此次μ介子異常是物理學(xué)家手中僅有的一些線(xiàn)索之一。
測量μ介子磁矩—— 與粒子的固有磁性有關(guān)的基本屬性——或許掌握了關(guān)鍵，因為它是通過(guò)與虛擬粒子的交互來(lái)調整的。上一次的測量是在15年前于紐約布魯克海文實(shí)驗室進(jìn)行的，那時(shí)μ介子磁矩便已超出理論預測。物理學(xué)家認為，與未知粒子，或被稱(chēng)為超對稱(chēng)性理論所設想的粒子的相互作用，或許導致了這種異?，F象。
其他可能的解釋也許是統計上的巧合，或理論學(xué)家標準模型結合已知粒子的復雜效應計算中的缺陷。但斯托肯格表示這不太可能，新的計算方法和實(shí)驗交叉檢查使得理論方面比15年前更加健全。
馬薩諸塞州波士頓大學(xué)物理學(xué)家、μ介子g?2實(shí)驗聯(lián)合領(lǐng)導人李·羅伯茨表示：“有了這個(gè)來(lái)自布魯克海文的誘人成果，你真的不得不做一次更好的實(shí)驗”。費米實(shí)驗室的設備將使用布魯克海文實(shí)驗中使用的μ介子數量的20倍來(lái)將不確定度縮小到4倍。羅伯茨表示：“如果誤差小得多，那么我們都認為肯定會(huì )顯示出一些在其他地方?jīng)]有被觀(guān)察到的粒子?！?/p>
為了探測這些μ介子，費米實(shí)驗室的物理學(xué)家將把粒子注入一個(gè)大約14米的圓環(huán)磁場(chǎng)中。每個(gè)粒子具有稱(chēng)為自旋的磁場(chǎng)特性，類(lèi)似于地球繞自身地軸旋轉。隨著(zhù)μ介子以接近光速的方式繞環(huán)，它們的旋轉軸將在磁場(chǎng)中搖擺，就像不穩定旋轉的陀螺。將這種進(jìn)動(dòng)速率與磁場(chǎng)的測量結合賦予了粒子磁矩。
斯托肯格表示，自從布魯克海文實(shí)驗室的結果開(kāi)始，一些對這種μ介子異常的流行的解釋——包括假想暗光子的影響 —— 似乎被其他實(shí)驗排除了?！暗绻惴叛鄢綐藴誓Ｐ偷奈锢韴?chǎng)景的全部范圍，還是有很多的可能性?！?/p>
雖然積極的結果將不太會(huì )顯示出新的粒子是什么，它仍將為其他實(shí)驗提供如何將其確認的線(xiàn)索。斯托肯格表示，如果保持相對較大的布魯克海文差異，那么結果只能來(lái)自相對較輕的粒子，如大型強子對撞機的探測范圍，即使它們很少相互作用，需要多年才能顯現。
事實(shí)上，基于先前發(fā)現的愿望是如此強烈，為了避免可能的偏見(jiàn)，費米實(shí)驗室的實(shí)驗人員將“盲”處理他們將要得到的結果，并且將兩個(gè)測量結合使用以產(chǎn)生磁矩。只有當顯示偏移，任何人才能獲知他們是否有新的粒子隱藏在量子“湯”中的證據。羅伯茨表示：“在那之前沒(méi)人知道答案，那會(huì )是一個(gè)一顆賽艇的時(shí)刻?！?/p>
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