物理学“理论决战”时间来了

发布时间：2025-05-04　点此：478次

参考消息网9月6日报导据美国《纽约时报》网站8月10日报导，物理学家向理论决战迈近了一步。

7月24日，一支巨大的研讨团队在利物浦召开会议，发布了一个与缪子(一种亚原子粒子)行为有关的数字，这种粒子有望翻开通往新世界物理学的大门。

这是缪子g-2合作项目的最新效果，该项目在伊利诺伊州巴达维亚的费米国立加速器试验室(简称费米试验室)进行试验，以研讨缪子的反常运动。这一丈量效果随后向大众发布，并提交给了《物理谈论快报》杂志。这项效果使物理学家更挨近弄清楚，世界物质和能量的类型是否比已知的更多。

新丈量效果与物理学家两年前的核算效果彻底契合，而精度进步了一倍。

麻省理工学院林肯试验室的物理学家汉娜·宾尼说：“这一切都归结为那个数字。”

科学家正在测验规范模型，这是一个包含自然界一切已知粒子和力的庞大理论。长期以来，虽然规范模型成功猜测了许多试验的效果，但物理学家一向预见其结构并不完好。该理论无法解释引力，也无法解释暗物质(将咱们的世界黏合在一起的黏合剂)或暗能量(拉扯世界的力气)。

研讨人员经过许多办法寻觅规范模型以外的物理学，其间之一便是研讨缪子。缪子是电子的近亲，但比电子更重。缪子很不安稳，在衰变成更轻的粒子之前只能存活两百万分之一秒。将一个缪子放进磁场，它就会像陀螺相同滚动。这种滚动的速度取决于缪子的“磁矩”特性，物理学家将其缩写为g。

理论上，g应该正好等于2。但物理学家知道，这个值会被虚粒子的“量子泡沫”打乱。这些虚粒子会时刻短呈现又消失，阻挠真空变为真实的真空。这些瞬态粒子改变了缪子滚动的速度。经过核算规范模型中一切的力和粒子，物理学家能够猜测g将被抵消多少。他们称这个差错为g-2。

但假如有不知道粒子在起作用，试验丈量的g将不契合这一猜测。“这便是研讨缪子如此令人兴奋的原因，”宾尼博士说，“它对一切存在的粒子都很灵敏，即便是那些咱们还不知道的粒子。”她弥补说，理论与试验之间的任何差错都意味着，新物理学行将呈现。

为了丈量g-2，费米试验室的研讨人员制作了一束缪子，并将其引进一个直径50英尺(约合15.2米)的环形磁铁中，其内部充满了忽然变成实际的虚拟粒子。当缪子绕环形磁铁运动时，边际的探测器记载下了它们滚动的速度。

研讨人员运用了400亿个缪子——是2021年研讨人员运用数据的5倍，丈量到g与2的差错为千分之一。丈量效果的精度为百万分之0.2。弗吉尼亚理工大学物理学家凯文·皮茨说，这就像丈量纽约市与芝加哥之间的间隔，差错只要10英寸(约合25.4厘米)。

曼彻斯特大学物理学家、缪子g-2合作项目成员亚历克斯·凯沙瓦尔齐说：“这是一项了不得的成果，这是世界上在粒子加速器上进行的最精确的丈量。”

芝加哥大学理论世界学家、没有参加这项研讨的丹·胡珀说：“这些人设法到达的精度令人震惊。”

但丈量到的g-2是否契合规范模型的猜测还有待确认。这是由于理论物理学家有两种核算g-2的办法——根据不同的办法来核算将质子和中子结合在原子核内的强力。

传统核算办法依靠40年来世界各地进行的强力丈量试验。伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的理论物理学家、缪子g-2理论方案的主席艾达·卡德拉说，经过这种办法，只要所运用的数据精确，g-2的猜测才会精确。她说，试验约束可能使猜测不那么精确。

一种被称为“格点核算”的新技术呈现了，它运用超级核算机将世界建模为时空点的四维网格。卡德拉博士说，这种办法底子不运用数据。只要一个问题：它生成的g-2猜测与传统办法生成的不同。

凯沙瓦尔齐博士说：“没有人知道为什么两者不同，它们应该一模相同。”

凯沙瓦尔齐博士表明，与传统猜测比较，最新的g-2丈量效果有逾越5西格玛的差错，也便是说，这个效果为幸运所得的可能性为350万分之一。他弥补说，这样的确认程度超出了宣告一项发现所需的水平。(这比早前的丈量效果有所改进：2021年，凯沙瓦尔齐博士地点团队的丈量差错为4.2西格玛；世纪之交，布鲁克黑文国家试验室的丈量差错为3.7西格玛。)

但凯沙瓦尔齐博士说，当他们将其与运用“格点核算”的猜测进行比较时，没有任何差错。

皮茨说，在物理学中，试验很少能逾越理论，但这是其间一次。

宾尼博士说：“咱们都刻不容缓地想看看这个理论的评论效果怎么。”物理学家希望到2025年能更好地了解g-2猜测。

费米试验室的理论粒子物理学家戈丹·克尔尼亚伊奇指出，假如试验与理论的不合继续下去，这将是“新物理学的第一个确凿的试验室依据，这很可能是咱们第一次打破规范模型”。

在两大理论阵营争论不休之际，试验学家将进一步完善他们的g-2丈量。他们需求挑选的数据量是本来的两倍多，一旦包含这些数据，其精度将再进步两倍。利物浦大学的物理学家、缪子g-2试验的负责人之一格拉齐亚诺·韦南佐尼在发布效果的新闻发布会上说：“未来十分光亮。”

最新丈量效果使物理学家离规范模型的理论决战又近了一步。但即便新物理学被证明存在，也需求做更多的作业来弄清楚它究竟是什么。凯沙瓦尔齐博士说，已知的自然法则是不完好的，这一发现将为新一代试验奠定根底，由于它将为物理学家的研讨指明方向。

皮茨花了近30年时刻来拓宽规范模型的边界，对他来说，新物理学的证明既是一个值得庆祝的里程碑，也是在提示他还有许多作业要做。（编译/刘白云）

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