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美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的μ介子實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了標(biāo)準(zhǔn)模型不完整。圖片來源：Ryan Postel/Fermilab
本報(bào)訊?粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型開始出現(xiàn)“裂縫”。據(jù)《科學(xué)》消息，一種叫作μ介子的基本粒子行為怪異。美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的新實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，μ介子的行為不同于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)，這可能意味著現(xiàn)有理論模型之外，還存在著奇怪的力和粒子。
科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中觀察到的差異體現(xiàn)在μ介子暴露于磁場(chǎng)時(shí)的自旋速率。該自旋速率用g因子數(shù)字表示，這由介子和其他粒子之間的相互作用決定。如果標(biāo)準(zhǔn)模型是正確的，并且考慮了所有存在的粒子和力，那么g因子應(yīng)該是2。但一系列測(cè)量結(jié)果顯示，μ介子的旋轉(zhuǎn)速度似乎比預(yù)期的要快得多，g因子為2.002。
μ介子的自旋速率用一種叫作進(jìn)動(dòng)的物理現(xiàn)象測(cè)量，在這種現(xiàn)象中，粒子在旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)輕微擺動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，介子以接近光速的速度在磁存儲(chǔ)環(huán)周圍爆炸，當(dāng)它們運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們與由于量子效應(yīng)而出現(xiàn)和消失的虛擬粒子相互作用。隨后，研究人員在所謂的擺動(dòng)圖上繪制μ介子的進(jìn)動(dòng)率，從而計(jì)算g因子。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的新測(cè)量結(jié)果比以往任何測(cè)量都要精確，測(cè)量g因子的精度達(dá)到百萬分之二。該精度是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室在2021年宣布的上一組測(cè)量結(jié)果的兩倍。重要的是，此次測(cè)量結(jié)果達(dá)到5西格瑪?shù)闹眯潘?，在粒子物理學(xué)中，5西格瑪測(cè)量被認(rèn)為是安全可靠的發(fā)現(xiàn)，而不僅僅是一個(gè)提示。這意味著，如果標(biāo)準(zhǔn)模型是正確的，那么像這樣的數(shù)據(jù)模式顯示的結(jié)果，僥幸所得的統(tǒng)計(jì)可能性大約是350萬分之一。
為達(dá)到這種精確度，研究人員分析了遠(yuǎn)超2021年所用的數(shù)據(jù)量。2021年時(shí)，只有2018年收集的數(shù)據(jù)可供分析，而新的研究增加了2019年和2020年的數(shù)據(jù)，使觀測(cè)到的μ介子總數(shù)增加了3倍多。此外，研究人員改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方案，包括穩(wěn)定μ介子束和更好表征用于μ介子自旋的磁場(chǎng)。目前，研究人員正在努力將2021年至2023年的數(shù)據(jù)納入最終的μ介子g因子報(bào)告，該報(bào)告預(yù)計(jì)將于2025年發(fā)布。
科學(xué)家認(rèn)為，這些測(cè)量結(jié)果的影響仍無法估量，特別是目前人們正處于理解μ介子g因子理論階段的情況下。但是，如果測(cè)量和觀察之間的差異在未來的計(jì)算中仍然存在，那就意味著標(biāo)準(zhǔn)模型很可能遺漏了某種粒子。這個(gè)粒子可能會(huì)以虛擬粒子的形式出現(xiàn)，通過某種尚未被探測(cè)到的力干擾μ介子，然后消失。如果這種粒子存在的話，還需要更精確的測(cè)量來了解它。（辛雨）
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