首页 科技 正文

电子表哥μ子的磁性超出预期,物理学家发现了未知颗粒的证据。

晓查 发自 凹非寺量子位 报道 | 公众号 QbitAI

今天产生了一件颤抖物理学界的大年夜事宜。

美国费米尝试室最新的尝试后果,可能倾覆我们50年来都奉为圭臬的粒子物理标准模子。

△Meon g-2尝试装配(图片来自费米尝试室)

标准模子是诠释夸克、电子等微不雅粒子的物理模子,在微不雅范畴获得了伟大年夜的成功。10年前人们发现希格斯玻色子,至此标准模子预言的所有粒子都被发现。

但费米尝试室的尝试后果指出,世界上可能还有标准模子未能预言的粒子。这篇研究论文今天颁发在顶级期刊《物理评论快报》上。

尝试发现,μ子的磁性超越了理论猜测,当然只相差0.1%,但却难以用标准模子诠释。

μ子可以说是电子的“表哥”,它和电子的带电量一致,却比电子重207倍。颠末历程丈量透露显露μ子磁性的g因子,物理学家可能发现了背后潜藏的未知粒子。

甚么是g因子

像电子和μ子如许的粒子不但带电,还具有磁场,就像一个“小磁针”。

要诠释这类现象,我们可以把它们看成是高速扭转的小球,电荷动弹就会产生磁场。

我们还可以按照这类模子,用经典电磁理论算出电子或μ子的磁矩。

不外,微不雅粒子的“自旋”(spin)其实不克不及简单地看成是自转,粒子的真实磁矩,和经典物理方式算出的磁矩会相差一个倍数,这就是g因子。

若何微不雅粒子合适经典模子,那末g因子就等于1,然则实际上g因子一般都不等于1,由于自旋是一种量子力学才能描写的步履。

对电子和μ子来讲,g因子约等于2。由于它俩的自旋都是1/2,相当于一个物体扭转2圈才能和本身重合。

然则它们的g因子又不完全等于2,至于为何,我们接下来再说。

g因子为何不等于2

1947年,尝试发现电子的g因子约为2.00232。

要诠释这一后果,必需要利用量子电动力学(QED)。和畴昔的量子力学分歧,QED其实不认为真空空无一物,会无时无刻产生和消失落虚粒子,产生量子波动。

物理学家施温格随后在论文中如许诠释g因子不等于2的缘由:由于电子在真空中会发射出光子,随后又领受,从而改变了电子的磁场。

μ子亦是如此。

△ μ子产生虚光子改变了磁矩(图片来自Quanta Magazine)

量子波动越少,对电子或μ子的g因子的影象就越小。

产生虚光子只是一种改变磁矩的体式格局,电子或μ子也可能产生其他的重粒子,只不外概率要小很多。

而μ子的比电子重207倍,产生重粒子的概率更大年夜,量子波动更大年夜,对g因子的影响也更大年夜。

电子的g因子大年夜约是2.002319,μ子大年夜约是2.002332。当然,这些丈量值在尝试误差局限内都合适QED的猜测。

数十年来,理论物理学家一向在尽力切确较量争论g因子,别的一方面尝试物理学家也在不休提高精度丈量g因子。

一旦两者呈现了超越预期而有没有法诠释的误差,那末可能意味着,与μ子彼此感化的粒子中有我们所未知的。它多是暗物质粒子,也多是超对称理论预言的粒子。

μ子的g因子与2的差值是个中的关头,是以这类尝试被叫做Muon g-2。

丈量g因子

第一个Muon g-2尝试是欧洲核子研究中央在1959年做的,后果合适量子电动力学。

美国布鲁克海文尝试室之落伍行了多次丈量。

2006年,物理学家发现μ子磁矩的丈量值和理论值差距到达了3.7σ,但依然很难否定是尝试误差致使的后果。

尔后,费米尝试室接过了Muon g-2尝试,由于经费限制,他们不克不及不利用布鲁克海文尝试室的磁铁,这是一个直径15米的超导磁环。

由于体积伟大年夜, 这颗焦点尝试装配先被装船颠末海运、河运,最后转移到专门设计的卡车上,才运达目标地。

△ 尝试用到的伟大年夜超导磁环(图片来自美国费米尝试室)

物理学家先撞击质子来制造大年夜量的μ子,然后将μ子注入到磁环中。

当然μ子的寿命极短,只有几微秒,然则它的速度异常接近光速,可以在磁环中运转上百圈,已足够完成丈量。

磁场中的μ子就像在地面上转轴倾斜的陀螺,自转轴高速地改变着标的目标(物理学中称之为“进动”)。

μ子每在磁环中扭转一圈,其自转轴就偏转大年夜约12度。

△ 尝试装配道理(图片来自Quanta Magazine)

物理学家要做的就是切确丈量磁环内的磁场强度,和μ子自转轴的偏转速度。颠末历程这两个数值就可以较量争论出μ子的磁矩,从而获得g因子。

尝试后果的较量争论量异常之大年夜,需要欧洲多个超等较量争论机中央破费数亿个CPU小时,才能完成数据措置。

△用于较量争论μ子磁矩的7台超算之一(图片来自德国尤利希研究中央)

究竟,物理学家获得μ子的g因子为2.00233183908,与量子电动力学理论值的误差为4.2σ。

这意味着,由统计误差致使后果异常的概率不逾越0.0013%。

意义

而今的发现仅仅是初步后果,物理学家只阐清楚明晰个中一部分数据,他们还需要一两年才能完成对所稀有据后果的申明。

假照尝试后果确切成立,那末将倾覆粒子物理学的标准模子,我们必需改写标准模子,引入新的粒子。

也有物理学家对此持思疑立场。还记得2011年那一个超光速的尝试发现吗,当科学家认为倾覆了相对论,后果倒是尝试电缆没有插牢。

来自CERN的科学家Andreas Crivellin透露显露:“数据或数据的诠释体式格局可能会误导人。”他正在与别的一逻辑学者合写一篇论文来诠释该后果。

“就算究竟后果没有改变甚么,那末看到理论和尝试贯穿连接一致也使人兴奋。”宾州州立大年夜学物理学传授Zoltan Fodor如是说。

参考链接: https://www.quantamagazine.org/muon-g-2-experiment-at-fermilab-finds-hint-of-new-particles-20210407/https://www.nature.com/articles/d41586-021-00898-zhttps://phys.org/news/2021-04-strength-muon-magnetic-field-aligns.html

非特殊说明,本文由原创资讯网原创或收集发布。

转载请注明本文地址:http://www.68nw.com/kj/2369.html