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粒子實驗 或發現新自然力量(圖)

2021-04-08 22:18 作者:成容 桌面版 简体 0
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實驗
美國伊利諾伊州巴達維亞的費米國立加速器實驗室直徑50英尺的超導電磁鐵,進行Muon g-2實驗。(圖片來源:Glukicov/ CC BY-SA 4.0)

【看中國2021年4月8日訊】(看中國記者成容編譯)科學家們認為,在觀察到微小的亞原子粒子μ子以一種不同尋常的方式表現後,他們可能已經發現了自然界的第五種力量。

據英國《每日郵報》4月8日報導,一項新的分析,將與電子相似的微小μ子粒子送入一個15噸重的電磁鐵,以測量它們如何「搖擺」。

被稱為Muon g-2的實驗,當粒子沿著50英尺長的磁力軌道行駛時,它們的搖擺幅度偏離了50年來一直使用的標準模型0.1%。

這表明μ子可能與未被發現的粒子或力量相互作用,由於它們是在宇宙射線撞擊地球大氣層時自然形成的,這些結果可能會改變人類相信的宇宙的運作方式。

英國科技設施委員會(STFC)表示,這一結果「為一種未被發現的亞原子粒子或新力量的存在提供了強有力的證據」。不過,他們提醒說,該結果有四萬分之一的可能性,可能是統計錯誤。

英國著名粒子物理學家考克斯(Brian Cox)教授稱這一結果「重要且令人興奮」。他在推特上寫道:「它越來越接近於發現超越標準模型的新物理學,基本上是新的基本粒子。這將是多年來粒子物理學領域最大的發現,當然可以和希格斯玻色子並列。」

Muon g-2實驗,通過精確研究μ子與周圍磁場的相互作用,來尋找新粒子和新力量的跡象。當把μ子置於磁場中時,它本身就像一個微小的磁羅盤,就像陀螺儀一樣,這個羅盤按照標準模型所預測的某種精確頻率旋轉。

然而,g-2合作測量到的這種旋轉速度,比預測的要快,這說明我們人類目前對物理學的理解還不完整。

英國科技設施委員會執行主席湯姆森(Mark Thomson)教授說:「作為一名粒子物理學家,這是一個令人興奮的時刻。我們知道,我們目前對宇宙的理解是不完整的。我們現在從g-2等領先實驗中看到的,可能是揭開物理學新世界幕布的第一道曙光。」

這種奇特的行為,挑戰了大約50年前開發的標準模型,這個標準模型編列了宇宙中基本粒子以及它們如何相互作用的方程集合。

世界著名的弦理論物理學家加來道雄(Michio Kaku)說,這可能是尋找萬物通用理論所需的線索,他稱之為「神的方程式」(God Equation)。

「這是終極理論的信號嗎?許多物理學家希望如此。愛因斯坦曾經說過,如果你看到一條獅子的尾巴,也許可能有一隻獅子和它相連。任何與標準模型的微小偏差都將是指向真正理論的尾巴。」

費米國立加速器實驗室(Fermilab)的物理學家波利(Chris Polly)告訴《紐約時報》:「這是我們火星探測漫遊者登陸的時刻。」

約翰-霍普金斯大學理論物理學家卡普蘭(David Kaplan)解釋說,實驗的重點是拉開粒子,找出粒子和它們之間看似空蕩蕩的空間是否有「有趣的事情發生」。

卡普蘭說:「秘密不只是在物質中。它們生活在似乎填滿了所有空間和時間的東西裡。這些是量子場。我們將能量投入到真空中,然後看看會有什麼結果。」

目前的物理學工作模型指出,自然界有四種基本力量:引力、電磁力、原子之間的弱力和強力。

直到現在,幾十年來進行的實驗一再肯定,它對構成和支配宇宙的粒子和力的描述幾乎是正確的。

蘭開斯特(Lancaster)教授說:「當與歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機底夸克實驗(LHCb)最近的測量結果一起看時,似乎出現了一種模式,即μ子的行為與我們的理論預測不同。」

該突破性實驗在伊利諾伊州巴達維亞(Batavia)的費米國立加速器實驗室進行。費米國立加速器實驗室擁有在粒子加速器中製造μ子的技術,可以大量生產μ子。

一個μ子的質量大約是它的表兄電子的200倍,當宇宙射線撞擊地球大氣層時自然形成。

1936年被發現後,它讓科學家們大惑不解,以至於一位著名的物理學家問道:「是誰下的命令?」

義大利國家實驗室的實驗物理學家維南佐尼(Graziano Venanzoni),是美國費米實驗室實驗的頂級科學家之一,他說:「從一開始,它就在讓物理學家撓頭。」

費米國立實驗室的研究人員,旨在通過觀察μ子在巨大磁體周圍旅行時的晃動,來測量μ子的磁性。

像電子一樣,μ子的行為就像它們有一個微小的內部磁鐵,當被置於強磁場中時,μ子的磁體方向會預處理或晃動,類似於旋轉的頂部。

內部磁鐵的強度決定了μ子在外部磁場中的預處理速度,用一個數字來描述,物理學家稱之為g因子。而這個數字可以用超高精度計算出來。

當μ子繞著Muon g-2磁鐵旅行時,它們也會接觸到亞原子粒子彈入和彈出的量子泡沫。量子泡沫源於愛因斯坦的觀點,即引力是由扭曲和彎曲的時空造成的。

此前有專家認為,時空並不平滑,而是類似於一瓶啤酒的泡沫殘骸--泡沫。

標準模型極其精確地預測了這種所謂的異常磁矩。但如果量子泡沫中含有標準模型沒有考慮到的額外力量或粒子,那將進一步調整μ子的g因子。

歐洲核子研究組織的理論物理學家麥卡洛(Matthew McCullough)表示,解開這些謎團可能會「讓我們超越目前對自然的理解」。

韋恩州立大學(Wayne State University)的粒子物理學家彼得羅夫(Alexey Petrov)說:「新粒子、新物理學可能就在我們的研究範圍之外。這很誘人。」

研究人員還需要一兩年的時間,來完成對圍繞50英尺(14米)跑道的所有圈數的分析結果。維南佐尼說,如果結果沒有變化,這將算作一個重大發現。

理論物理學家加來道雄,最近出版了一本關於尋找萬物普遍理論的新書,名為《神的方程式》,他在書中提出,標準模型是不完整的,是「幾乎萬物的理論」。

他說:「標準模型真實地描述了已知的亞原子世界。但問題是,它是物理學中最醜陋的理論之一。它有36個夸克和反夸克、20個自由參數,大量的規粒子、中微子和希格斯玻色子。這是一個只有母親才能愛的理論。但大自然怎麼能在最基本的層面上,創造出如此醜陋的理論。連它的創造者都承認它不可能是最終理論。」

世界著名的弦理論家之一、紐約市立學院理論物理學教授加來道雄說,物理學家一直在尋找標準模型中哪怕是最微小的偏差。

加來道雄解釋說,晃動、新的力量和粒子相互作用方式的變化,都可以用來「給我們提供一個真正的基礎理論的線索」。

来源:看中國 --版權所有,任何形式轉載需看中國授權許可。 嚴禁建立鏡像網站。
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