反常的缪子：新物理是否到来？
本刊采访人员/霍思伊
发于2021.4.19总第992期《中国新闻周刊》
这是一场跨越5000多公里的漫长又小心翼翼的旅行——6月24日 ， 从纽约长岛出发 ， 先是沿着美国东海岸向南到达佛罗里达的顶角 ， 然后进入墨西哥湾 ， 这就花了一个月 ， 然后沿着田纳西-汤比格比水路向上进入密西西比河 ， 伊利诺伊河和德斯普兰斯河 ， 在7月20日到达伊利诺伊州的港口 。 一辆经过特殊改造过的卡车已经等候在码头 ， 7月26日凌晨4时7分 ， 在美国费米国家加速器实验室门前的草坪上 ， 3000人举起了手 ， 欢迎“它”的到来 。
它是一个重700吨、宽约15米的巨大超导磁环 ， 在2013年夏天 ， 以“尽可能保持精度”的独特方式从纽约的布鲁克海文国家实验室运输到费米 。 经过一连串复杂的调试后 ， 这套设备于2018年开始正式运行 。 费米特有的强大加速器源源不断地为磁环注入一种特殊的粒子——缪子（μ子） ， 就像电子一样 ， 它在磁环中进行着一种近似地球围绕太阳的运动 ， 既自转又公转 ， 不过自转的方向不断偏离 ， 直到衰变出一个电子——而它 ， 有可能成为解码人类和宇宙奥秘的钥匙 ， 并暗示着“新物理”的到来 。
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（停在码头的巨型超导铁磁环 。 图/费米实验室）
2021年4月7日 ， 费米国家加速器实验室（简称费米实验室）宣布 ， 缪子反常磁矩实验的一期数据分析显示 ， 缪子在绕磁环运动时有一个较大的摇摆幅度 ， 和标准模型计算出的预测情况不符 。
这引发了物理学界的震荡 。 在4月7日的发布会上 ， 费米实验室缪子反常磁矩实验的负责人克里斯·波莉说 ， 发生这种偏差一定是出了什么问题 ， 可能有一些隐藏的东西在发挥作用 。 它们是什么？可能是一种新粒子或第五种作用力 ， 也可能缪子内部还有更深入的结构 。
这些猜测全部令人非常兴奋 ， 因为它们都指向了一种超出标准模型之外的新物理 。
极小的偏差
标准模型是人类目前能找到的最精确的对微观世界的解释 ， 是整个粒子物理学的根基 ， 描述了构建宇宙的基本粒子和相互作用 。 科学家认为 ， 世界是由17种基本粒子构成 ， 缪子是其中一种 。 它是电子的表亲 ， 质量是电子的207倍 ， 可以简单理解成“更胖的电子” ， 除此以外其他性质都相同：都带一个单位电荷（正或负） ， 自旋为1/2 ， 也就是转两圈后 ， 会回到初始状态 。
1936年 ， 物理学家在宇宙射线中发现了缪子的存在 。 当太阳抛射出来的高能质子进入地球时 ， 与外层大气发生碰撞 ， 产生了缪子 ， 它以光速冲向地面 ， 穿透力很强 ， 可以深入2700米的岩层之下 。
从发现以来 ， 缪子一直有一些无法解释的奇怪现象 ， 比如磁矩的偏差 。 缪子会像陀螺一样自转 ， 在这个过程中自身会产生磁场 ， 磁矩就反映磁场的量度 。 理论物理学家认为 ， 无论电子还是缪子 ， 将磁矩进行某种固定的除法运算后会得到一个常数比值 ， 也就是g因子 ， 按照标准模型 ， g应该是2.00231930436……可以一直精确到小数点后11位 ， 但实验中发现 ， 缪子的g因子总会和理论预测值产生一定偏差 ， g-2反映的就是这个偏差 。 这种磁矩上出现的反常 ， 就是缪子反常磁矩问题 。
这种偏差其实很微小 ， 要一直读到小数点后七位才会发现 ， 但在微观粒子世界 ， 任何预测之外极小的变化背后 ， 都可能隐藏着足以震荡整个物理学界的发现 。 缪子磁矩反常之所以如此重要 ， 是因为一旦确认 ， 就足以打破久经检验的标准模型 。 粒子物理学在20世纪70年代建立了集大成的标准模型理论之后 ， 此后任何发现都没有超出这个模型 。 无论是通过大型强子对撞机（LHC）等加速器 ， 还是在一些用于寻找暗物质的探测实验中 ， 所有模型之外的探索都失败了 。
但物理学家们相信 ， 标准模型远远不是完美的 ， 在模型之外 ， 一定存在着另一个更广大的、未知的世界 。 标准模型属于量子场论 ， 只囊括了三种基本作用力：电磁力、强相互作用力与弱相互作用力 ， 但没有描述到让苹果掉到牛顿头上的引力 。 而在量子力学诞生之前 ， 人们理解这个世界的核心就是引力 。 另一方面 ， 标准模型也无法解释暗物质的存在 。 我们看到的每一件事物都是与光发生了相互作用 ， 但这些物质的能量只占宇宙中总能量的4％ ， 更广袤的宇宙是黑暗的 ， 由暗物质组成 ， 它们既不吸收光 ， 也不发射光 ， 人类目前还没有发现任何一个暗物质粒子 。
为了解释这些现象 ， 物理学家试图开拓“新物理”的疆域 ， 寻找标准模型之外的物理 。 有一些迹象表明了新物理的存在 ， 其中一个是1998年发现的中微子振荡 ， 另一种就是缪子的磁矩反常 。
在研究缪子的过程中 ， 一开始 ， 人们并不觉得是理论出了问题 ， 而认为是计算不够精确 ， 比如 ， 没有考虑到量子涨落 。 上海交通大学粒子物理教授李亮是此次实验的核心参与人员之一 。 他对《中国新闻周刊》解释 ， 真空不是空的 ， 时空像泡沫一样 ， 有大量的虚拟粒子存在 ， 它们会在某个瞬间突然出现 ， 又突然消失 ， 因为难以捕捉 ， 所以是虚的 ， 这就是量子涨落 ， 这又会对缪子的磁场产生干扰 。 基于此 ， 实验人员对计算进行了修正 ， 最开始是一阶修正 ， 只考虑光子的干扰 ， 此后还有二阶修正、三阶修正 ， 也就是排除更多粒子的干扰 ， 如W、Z玻色子 ， 希格斯玻色子等 。
但科学家们很快发现 ， 即使排除了这些干扰 ， 实验测出的缪子磁矩仍然存在反常 。 从1930年代起 ， 不同的实验结果相继印证了这种反常 ， 但受限于精度问题 ， 人们对自己的发现并不自信 ， 直到美国布鲁克海文国家实验室在2006年相对明确地提出了这个现象 。 而费米实验室的发现在布鲁克海文的基础上更进一步 ， 不仅提高了测量精度 ， 一期数据的分析结果也将结论的“有效性”提高到了4.2σ ， 这是在统计学上的意义 ， 也就是4.2倍标准方差 。
李亮指出 ， 这是一个非常有力的证据 ， 4.2σ ， 就是出现统计误差的概率只有四万分之一 ， 换句话说 ， 这个发现有99.99％的概率是正确的 。 但科学界更严谨 ， 按规定 ， 只有标准方差达到5σ ， 才称得上是一个“发现” ， 也就是保证实验只有350万分之一的概率出错 。 但目前这只是一期结果 ， 分析的是2018年的运行数据 ， 还有2019、2020年的二期、三期数据 ， 其数据量将会是一期的7倍 ， 最快将于一年后公布 。 “我有充分的信心 ， 之后两期的数据分析出来后 ， 会有很大的概率达到5σ ， 这意味着 ， 不是由于计算问题 ， 也不是由于测量精度不够 ， 在进行各种高阶修正之后 ， 缪子的磁矩和标准模型的预测值仍存在一点点偏差 。 ”他说 。
新物理是否到来？
在费米实验室 ， 跨越了5100多公里的巨型超导铁磁环在撤去了专为运输设计的红白金属罩后 ， 露出了里面的蓝色超导线圈 。 这些线圈可以产生1.45特斯拉的磁场 ， 约为地球磁场的30000倍 。 实验室的超强质子加速器以平均每秒11.4次的频率将10~12个质子组成的质子束团不断加速、衰变生成3.094GeV能量的缪子束团 。 缪子束团被射入铁磁环后 ， 开始以接近光速的速率一圈又一圈地运动 ， 在绕了几千圈后 ， 每个缪子会衰变出一个电子 ， 这些电子被探测器检测出来 。 实验人员通过提取电子的信息 ， 可以得到衰变前缪子的磁矩 。 在这个过程中 ， 缪子像一个自身不停旋转的陀螺 ， 自转轴不断偏离最初的方向 。 陀螺歪了 。
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（实验装置 。 图/费米实验室）
这是一个非常优美而简洁的实验 ， 也是一个很经典的实验原理 。 从1960年代起 ， 不同实验室在测量缪子反常磁矩时都是采取这个方案 。 李亮指出 ， 费米实验室在进行实验时 ， 实验原理与布鲁克海文相同 ， 但在精度上作了很大改进 。 费米实验室可以输出美国强度最大的缪子源 ， 其缪子束流强度是布鲁克海文实验的10倍 ， 最终的数据量会达到布鲁克海文的20倍 。 而且 ， 之所以采用已有的磁环 ， 是因为在这个实验中 ， 磁场的均匀非常关键 。 如果再造一个新的 ， 其均匀程度不会像已经使用过的电磁环这么完善 ， 还要花大量时间重新校准 。
李亮还表示 ， 探测器的灵敏度尤为重要 ， 费米实验的探测器是全新的 ， 采用了一种会发光的氟化铅晶体 ， 它的生产线就在中国 ， 由中科院上海硅酸盐研究所和上海交大联合研发 。 一方面 ， 氟化铅晶体的响应时间非常快 ， 可以在短时间内做多次测量 ， 其次是精度很高 ， 且可以更好地减少对磁场的干扰 。
多年来 ， 测量精度不够高 ， 一直是物理学界对自己的发现不自信的主要原因之一 。 由测量带来的误差包含统计误差和系统误差两种 ， 布鲁克海文实验的系统误差是0.28ppm（千万分之二点八） ， 费米实验室通过改进硬件和技术 ， 将这个误差降低到了0.16ppm ， 这是一个很大的跃迁 。 而在统计误差上 ， 布鲁克海文是0.46ppm, 费米是0.43ppm 。
在如此高精度的背景下 ， 得出了一个非常有希望的发现以后 ， 现在 ， 人们要思考的是 ， 陀螺为什么歪了？
在李亮看来 ， 目前学界有两种主要的猜测 。 一种是出现了标准模型之外的新的基本粒子 。 对此很容易理解 ， 因为当缪子在电磁环中没有按照预定轨迹运动时 ， 一定有一个外界力量干扰 ， 这可能是一些人类现在还无法观测到的全新粒子 ， 由于和这些粒子发生了相互作用 ， 使缪子的轨迹出现了偏差 。 所以接下来就要回答 ， 这个新粒子从哪来的？它有什么性质？它和标准模型基本粒子的关系是什么？
第二种可能性是 ， 缪子不再是不可分的点粒子 ， 内部还有微观结构 ， 这些内部粒子可能在一定条件下发生相互作用 ， 从而在整体上影响了缪子的磁矩 。
中科院院士、中科院高能物理所所长王贻芳对《中国新闻周刊》指出 ， 现在谈这些还为时尚早 ， 首先 ， 费米实验最后的4.2σ是在综合了布鲁克海文实验的数据后得出的 。 如果单看费米一个实验的结果 ， 得出的标准方差是 3.3σ, 比布鲁克海文当年的数据3.7σ还要小 ， 目前还不确定之后的结果会让这个数字变得更大 ， 还是更小了 。 在过去的粒子物理历史中有很多例子 ， 原本的统计数字是3点多 ， 后来却下降了 。 即使到了5 ， 也要检验这个数字是否足够精确 。
王贻芳还表示 ， 除了这种不确定性以外 ， 也无法排除是否可能理论计算出现了误差 ， 才造成目前的结果 。 而且 ， 理论计算在相当大的程度上也利用了一些此前已有的实验数据 ， 实验数据本身也需要再检查 。
在这个实验中 ， 最关键的环节是把实验数据和理论计算数据进行对比 ， 理论计算是依据标准模型来预测 ， 但由于缪子的不稳定性 ， 在计算时有较大的不确定性 ， 在1968年就发生过类似的事情 。 当时 ， 欧洲核子中心的实验物理学家得出一个和理论计算存在1.7σ差距的结果 ， 后来发现出现偏差是理论计算出了问题 ， 修复错误后 ， 理论和实验结果吻合得很好 。 2016年 ， 来自全球82个机构的132名顶级理论物理学家组成了联盟 ， 分成不同组独立进行计算 ， 最终达成共识 ， 理论预测出来的g是2.0023318362 。 费米实验室的测量结果就是和这个数字进行比较 。
李亮指出 ， 在缪子和周围虚粒子发生作用而带来的各种变化中 ， 计算不确定性的一个主要因素是强子真空极化效应 ， 虽然这只有很小的概率发生 。 当缪子在传播时 ， 可能会瞬间发射出一个光子 ， 光子会衰变成强子和反强子 ， 强子和反强子又迅速变回光子 ， 然后再被缪子重新吸收 。 这个过程被称为强子真空极化 。 这个现象很难进入标准模型的计算中 ， 因为强子不是孤立出现 ， 数量很多 ， 像粒子云一样 ， 这中间发生的各种作用很难准确预测 。
但如果经过检验之后 ， 最后证明这个反常确实存在 ， 王贻芳说：“这将是我们第一次非常明确地看到超出标准模型的实验现象 。 ”
不过 ， 上海交通大学粒子与核物理研究所副所长刘江来也对《中国新闻周刊》强调 ， 即使真的可能存在新粒子 ， 这种新粒子到底是什么 ， 按现有的各种模型会有非常多的可能 ， 比如超对称模型 ， 暗物质模型等 ， 物理学界要先确定哪一种模型更接近真实 ， 有一个方向后 ， 再通过对撞机去寻找新粒子 。
【偏差|反常的缪子：新物理是否到来？】“费米实验只给出了间接证据 ， 确定新粒子或第五种作用力 ， 要有更直接的观测证据 。 这不会是一个很快的过程 ， 可能还要走很远 。 但毫无疑问 ， 这会让新物理向前推进一大步 ， 也会拓宽原本的标准模型 ， 接下来 ， 理论物理学家们会很兴奋 。 ”刘江来说道 。
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