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【微物之謎】新渺子實驗結果或打破人類認知粒子物理學基礎 意味尚有未知物質能量

2021/4/8 — 14:05

素材來源:網絡圖片

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來自粒子物理學其中一個最令人期待的實驗結果終於在 Physical Review Letters 刊出,該結果亦有可能打破人類所知道的物理學基礎。

該個從芝加哥附近的費米國家加速器實驗室緲子 g-2 實驗獲得的證據,似乎指向一種稱為緲子 (Muon) 的微小亞原子粒子,其擺動遠超出理論預期的範圍。根據該個國際團隊撰寫的報告說法,最好的解釋是:緲子由物理上完全未知的物質和能量所推動。如果推論正確,發現代表了近 50 年來粒子物理學領域的一項重要突破,緲子如此的微小擺動,即磁矩 (magnetic moment) ,可能會動搖「科學」本身的基礎。

意大利國家核物理研究所的緲子 g-2 實驗發言人兼物理學家 Graziano Venanzoni 在聲明中指,今天是不平凡的一天,因為不僅團隊而是整個物理學界都對結果期待已久。

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緲子有時被稱為「肥版」電子,因為其質量約為後者的 200 倍,而且更為放射性不穩定,能在數百萬分之一秒就分解成電子和更微細的暗物質微中子 (Neutrino) 。另外,緲子還具有自旋特性,令其在磁場中時如陀螺般旋動。

不過報告發現,在一個超導磁環上的緲子活動反應比預計多,唯一的解釋就是,粒子的存在還沒有被所有亞原子粒子的方程式所解釋,亦即「標準模型」解釋;該模型自 1970 年代中期一直未被修改,並指亞原子粒子和相關的能量將在磁環內的緲子上推拉。

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肯塔基大學物理學家、緲子 g-2 實驗模擬經理 Renee Fatemi 在聲明指,團隊測量的擺動量反映了緲子與宇宙中所有其他事物和能量的互動。但當使用標準模型中的所有已知力和粒子計算同等量時,無得到預期的答案,顯示這是有力證據,表明我們現有最好的物理理論中,並未包括某些影響著渺子活動的東西或粒子。

費米實驗室的研究人員對發現有信心,指所看到的緲子額外擺動是真實現象,而非統計上的偶然。他們將可信度定為 4.2 sigma ,非常接近粒子物理學家宣佈重大發現的 5 sigma 閾值;任何 5 sigma 結果意味,新發現只有 350 萬分之一機會為偶然發生。

未能完全確認結果

但由另一獨立小組進行刊於《自然》的研究計算顯示,當為預測緲子擺動方程式中最不確定的因素調整至更大值時,實驗結果與「標準模型」預測結果一致,換言之費米實驗室的發現可能並未帶來新意。

領導該個分析的賓夕法尼亞州立大學物理學教授 Zoltan Fodor 在聲明表示,如果他的團隊計算正確,新的測量結果並無改變標準模型,亦將不需新的物理學來解釋緲子的磁矩。

不過 Fodor 補充,鑑於其團隊的預測是基於完全不同計算和假設,團隊的結果並不能完全否定 g-2 實驗成果。此外,現時物理學家也無法確切地說出是否有全新未知粒子正在拉動緲子,直到他們完全同意現有的 17 種標準模型粒子與緲子之間的互動。

來源:
Live Science, A tiny, wobbling muon just shook particle physics to its core, 7 April 2021

報告:

  1. Abi, B., Albahri, T., Al-Jilani, S. & et al. (2021). Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. Phys. Rev. Lett. 126, 141801. doi: 10.1103/PhysRevLett.126.141801
  2. Borsanyi, S., Fodor, Z., Guenther, J.N. & et al. (2021). Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD. Nature. doi: 10.1038/s41586-021-03418-1

文/Alan Chiu

 

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