物理学家解开缪子之谜，旧结果不再吻合

# 物理学家解开μ子谜团。如今，旧结果对不上了。 | Quanta Magazine 来源：https://www.quantamagazine.org/physicists-solve-a-muon-mystery-now-old-results-dont-add-up-20260729/ 新的计算似乎平息了一个持续25年的粒子物理学谜题。但它们也与其他实验结果产生了冲突。 ## 引言 25年来，物理学家一直困惑于一个看似百万分之一的问题。他们对某些粒子在磁场中应该怎样摆动的预期，与实验观测结果相冲突。这种差异是一个令人振奋的暗示，表明他们可能看到了未知粒子的证据。 然后在2021年，这个暗示似乎消失了。当研究人员更新他们的理论计算方法时，他们发现预测与实验结果比以前精确得多，达到了千亿分之一的一致性。 但这反过来又产生了另一个谜题：旧的计算方法似乎完全有效。那么为什么它们与新的计算不匹配？那些较早的预测并非纯粹基于理论；它们也是从其他实验中推断出来的。如果较旧的计算与较新的结果相矛盾，而较旧的计算又是基于实验数据，那么那些旧实验是否发生了奇怪的事情？ 一个富有希望的线索来自西伯利亚的一个粒子对撞机，该对撞机最近开始看到其实验结果与它自身以及过去其他对撞机的观测急剧偏离。它的结果引发了一阵活动，物理学家们试图确定这些相互矛盾的测量是不同实验程序的副作用，还是终究表明了新粒子的出现。 ## **奇怪的摇摆** 这个谜团的核心粒子是μ子，它比电子更重，是电子的表亲。μ子的行为有点像一个小小的条形磁铁。让它在磁场中转圈，磁力会使它摆动，画出自己的小圆圈。这些圆圈的大小由一个称为“*g*-因子”的数字决定。 如果μ子与其他粒子隔离，它的*g*-因子将恰好为2。但量子理论要求所有其他粒子都会影响*g*-因子。当μ子摆动时，它会释放出像光子这样的粒子，这些粒子的寿命极短，无法在探测器中出现。它们可以释放其他粒子，而这些粒子又可以释放更多的粒子。μ子会迅速重新吸收所有这些转瞬即逝的粒子，它们留下的唯一痕迹是μ子摆动得稍微多了一点。通过这些错综复杂的发射和再吸收链，每种存在的粒子对μ子的运动都有一些微小的影响。 这使得额外摆动的精确大小——即μ子的“*g*–2”——成为了解量子世界的有价值的窗口。“测量μ子*g*–2就像是说宇宙中有多少种粒子的代理指标，”伦敦大学学院的高级研究员Alex Keshavarzi说。 因此，当2001年长岛布鲁克海文国家实验室的一项实验测量到μ子的*g*-因子时，物理学家们兴奋地发现它比预期要大。对一些人来说，这暗示着新粒子——甚至可能是能够解释暗物质的粒子——在起作用。 物理学家们着手用更精确的测量来验证这个结果。2013年，布鲁克海文那个50英尺宽的磁环通过一系列精巧的驳船和卡车运输，被送到了伊利诺伊州的费米国家加速器实验室（Fermilab），在那里进行了升级版实验，以获取更多数据。 为了准备这项新实验，物理学家们也付出了巨大努力来理解与数据不一致的理论预测。他们的挑战在于要极度详细地理解μ子的发射和再吸收链。特别是，自然界四种基本力各自相关的粒子在这些链条中参与的程度有多大？ 对于自然界四种力中的三种，计算是直接的。引力太弱，物理学家可以直接忽略它。而电磁力和弱核力都可以用标准技术推导出来。 然而，强核力并不容易处理。这种力将称为夸克的粒子紧密结合成质子和中子等复合粒子。标准理论技术对强核力不起作用。因此，物理学家必须发挥创造力。 在他2018年的博士论文中，Keshavarzi帮助完善了一种理解强核力的替代方法，称为数据驱动方法。在这种方法中，物理学家并不试图预测μ子发射和吸收夸克群的频率。他们会去测量它。 主要方式是通过碰撞电子和它们的反物质伙伴——正电子。物质和反物质相互湮灭，产生其他粒子，包括夸克的集合。如果出现大量夸克，物理学家就知道它们与电子和正电子等粒子存在紧密的量子联系。简而言之，电子-正电子碰撞中出现的夸克越多，它们对μ子的影响就越强。 利用数据驱动方法，物理学家着手计算μ子磁摆动的预期大小。这个预测于2020年6月发布，与Fermilab在2021年4月发布的精确实验测量结果存在显著差异。这种差异如此之大，几乎越过了物理学家声称发现新粒子所需的严格阈值。 但不同的理论计算将讲述不同的故事。 ## **摆弄格点** 并非所有物理学家都采用数据驱动方法来计算μ子的摆动。有些人在研究一种更纯粹的理论技术来进行预测。 这种方法类似于天气预报中发生的事情。虽然原则上可以通过追踪大气中每阵风的精确轮廓来理解天气，但实际上这项任务是荒谬的。相反，气象学家将大气划分成大的盒子——一个三维网格——并计算每个盒子随时间变化的平均值。 同样，物理学家很难追踪每对夸克之间的每一次强相互作用。因此，物理学家使用一种称为格点QCD（量子色动力学的简称，即强核力理论）的技术，使用一个大网格来模拟夸克的整体行为。 2014年，布达佩斯（匈牙利）、马赛（法国）和伍珀塔尔（德国）的研究人员组成的一个合作组——BMW小组——启动了一个项目，使用格点QCD计算μ子的*g*-因子。 起初，他们的预测比数据驱动推断模糊10倍。低能量粒子往往会扩散，因此捕捉它们的可能位置需要使用巨大的网格。高能量粒子需要相对较小的网格，但网格需要极其精细。“那时，无法想象有一天格点方法能达到与数据驱动方法相同的精度，”参与这项工作的伍珀塔尔大学教授Kalman Szabo说。 经过十年开发巧妙的计算技术——并等待计算能力的提升——BMW小组才成功操控了既足够大又足够精细的网格。但他们确实做到了。2021年，在Fermilab发布其更新后的μ子*g*–2测量的同一天，BMW小组的结果出现在《自然》杂志上。 根据BMW小组的格点计算，Fermilab的μ子摆动得完全符合预期。此后，独立的格点小组发表了匹配的计算结果。 如今，许多物理学家认为μ子谜团已不复存在：根据格点模拟，μ子的额外摆动完全可以由已知粒子在已知力的已知规律下的发射和再吸收来解释。 那么，为什么数据驱动方法会显示不同的结果呢？ ## **不一致的实验** 为了弄清情况，物理学家正在深入探究驱动数据驱动方法的电子-正电子碰撞。这些碰撞本应是观察夸克行为的直接窗口，但基于这些数据的计算与最新的实验结果以及BMW的预测都不相符。那么，这些碰撞之后到底发生了什么？ 在西伯利亚南部的新西伯利亚市，VEPP-2000对撞机自世纪之交以来断断续续地让电子与正电子对撞。这是一个相对温和的对撞机，其能量比日内瓦附近的CERN大型强子对撞机低6000倍。 VEPP-2000配备了两个探测器，可以精确计数电子-正电子碰撞中产生的特定夸克束（称为π介子）的频率——物理学家一直用这些数据来推断强核力对μ子的影响程度。 2010年，物理学家安装了一个全新的探测器。然后他们用它更精确地测量了这种π介子产生率，并于2023年发表。升级后，他们发现该比率发生了显著变化。 一位穿着格子衬衫的男子站在户外，面前是山坡与水面相接的景色。 Fedor Ignatov，英国利物浦大学的物理学家，是测量VEPP-2000对撞机上神秘的新π介子产生率团队的一员。 图片由Fedor Ignatov提供 “这很令人惊讶。没有人预料到会是这样，”英国利物浦大学的物理学家、团队成员Fedor Ignatov说。 物理学家此前曾看到微弱的迹象，表明π介子产生率有些异常。他们注意到来自意大利和美国的实验测量结果开始出现分歧。但新测量结果与该探测器自身过去结果的显著偏离，再加上合作组声称的高精度，使情况变得不容忽视。 物理学家们仔细审查了这个结果。“没有哪个测量结果受到过如此严格的审视，”Keshavarzi说。到目前为止，没有发现任何问题。 随后，BMW小组成员在2024年使用格点模拟预测了π介子产生率。他们的计算与最新的结果基本一致。而来自VEPP-2000对撞机另一个探测器的初步数据似乎也与新速率相符。与此同时，2023年对早期在另一个对撞机（加利福尼亚的BABAR）收集的数据进行的分析，与旧的速率惊人地一致。 所有这一切让物理学家们想知道，所有这些对撞机实验中到底发生了什么。这些差异要么指向未知粒子干扰夸克的迹象，要么指向被忽视的细节，这些细节错误地给人以夸克行为异常的印象。无论如何，粒子物理学家在解决新的电子-正电子之谜，并弄清楚旧的π介子产生率和新的π介子产生率哪个正确之前，无法停歇。 “在那之前有四十年的测量，都是以不同的方式进行的，由不同的人完成，由不同的实验完成，所有这些都描绘了一个完全不同的图景，”Keshavarzi说。“还有很多工作要做。”