編譯 夏冰

大型強(qiáng)子對撞機(jī)的底夸克實驗探測器。正是它發(fā)現(xiàn)了μ子的反常現(xiàn)象。μ子g-2實驗小組宣布了有關(guān)μ子磁性的發(fā)現(xiàn)，這項發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家們大惑不解

μ子實驗結(jié)果讓物理學(xué)一片混亂。與基礎(chǔ)理論相悖的反常實驗結(jié)果迫使物理學(xué)家踏上了尋找新理論解釋的艱難道路。

物理學(xué)家現(xiàn)在應(yīng)該很是興奮。2021年4月，一項實驗顯示，一種叫作“μ子”（繆子、渺子）的基本粒子具有很強(qiáng)的磁性。至少從表面上看，這個令科學(xué)界大呼意外的結(jié)果意味著現(xiàn)有基本粒子理論并不完備。如果實驗與理論之間的這種差異得到證實，那將是現(xiàn)有理論自50年前問世以來首次無法解釋實驗結(jié)果——而物理學(xué)家最愛的事莫過于證明某種理論錯誤。

4月7日，在伊利諾伊州芝加哥附近工作的μ子g-2實驗小組對外宣布了這個反常的實驗結(jié)果。不過，這一結(jié)果并未指向具有革命意義的新理論，它給科學(xué)界帶來的是一個謎。物理學(xué)家目前掌握的所有基本粒子理論都很難解釋這個實驗結(jié)果。另外，其實早在今年3月2日，一項對撞機(jī)實驗還報告了μ子的另一種反常現(xiàn)象，這更是令物理學(xué)家們面對的任務(wù)艱巨起來?？偠灾?，物理學(xué)研究者現(xiàn)在必須讓理論物理學(xué)理論來上三個180° 大轉(zhuǎn)彎，才可能找到合理的解釋。

僵尸模型

以超對稱理論為例。目前物理學(xué)界的主流研究范式就是所謂的粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，且許多物理學(xué)家一度認(rèn)為超對稱理論是這一模型最有前途的理論擴(kuò)展。超對稱理論有很多變體形式，但總的來說，它們都假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)模型中的每個粒子都有一種尚未被發(fā)現(xiàn)且質(zhì)量更大的對應(yīng)粒子，稱為“超伴子”（超對稱粒子）。超伴子可能就是在μ子周圍空曠空間中不斷產(chǎn)生又湮滅（這種量子效應(yīng)可能有助于解釋為什么這種粒子的磁場要比科學(xué)家預(yù)期的更強(qiáng)）的“虛粒子”之一。

如果事實果真如此，那么這些超伴子就能一次解決兩大謎團(tuán)：μ子磁性問題和暗物質(zhì)問題。所謂暗物質(zhì)，就是一些看不見的物質(zhì)，目前看來，正是它們通過自身引力束縛住了各個星系。

很多證據(jù)都表明，暗物質(zhì)的組成可能是一類質(zhì)量數(shù)百倍于質(zhì)子的超伴子。這一觀點直到十年前才受到有力挑戰(zhàn)。許多科學(xué)家原本都期待著位于瑞士日內(nèi)瓦外的大型強(qiáng)子對撞機(jī)能夠通過撞擊大量生產(chǎn)這些新粒子，但到目前為止，他們還一無所獲。大型強(qiáng)子對撞機(jī)目前已經(jīng)得到的數(shù)據(jù)表明，如果超伴子真的存在，那么它們的正常質(zhì)量至少是質(zhì)子的1 000倍（這個下限還有可能更高，具體是多少取決于超伴子的類型，以及各大超對稱理論的偏好）。

“很多人現(xiàn)在都覺得，超對稱理論差不多已經(jīng)完了?！钡聡吕鬯诡D理工大學(xué)理論物理學(xué)家、μ子g-2實驗小組成員多米尼克·史多金格（Dominik St?ckinger）說。不過，他本人仍舊把超對稱理論視作這些反常實驗結(jié)果的可能解釋方案之一?！昂推渌碚摲旁谝黄鸨容^，超對稱理論也沒那么糟糕?！笔范嘟鸶裾f。

他還表示，有一種解釋既可以讓μ子g-2實驗結(jié)果與超對稱性相諧，又能為暗物質(zhì)提供證據(jù)。那就是，大型強(qiáng)子對撞機(jī)的對撞實驗中可能出現(xiàn)了不止一種超伴子，而是兩種，且它們的質(zhì)量大致相當(dāng)——比如，一種是質(zhì)子的550倍，另一種是質(zhì)子的500倍。對撞會產(chǎn)生質(zhì)量稍大的那種超伴子。這種粒子隨后又會迅速衰變成兩種粒子：一種是質(zhì)量稍輕一些的超伴子，另一種則是符合標(biāo)準(zhǔn)模型的普通粒子，后者帶走了兩種超伴子之間50個質(zhì)子質(zhì)量左右的質(zhì)量差。

只要這種普通粒子足夠大，大到能夠帶走兩種超伴子之間的質(zhì)量差，那么大型強(qiáng)子對撞機(jī)的探測器就完全有可能發(fā)現(xiàn)這類衰變。不過，質(zhì)量很輕的粒子可以在不被探測器發(fā)現(xiàn)的前提下逃逸?！斑@是大型強(qiáng)子對撞機(jī)的一個盲點，我們很早之前就很清楚?！奔永Ｄ醽嗛T洛帕克美國國家加速器實驗室理論物理學(xué)家邁克爾·佩斯金（Michael Peskin）說。

不過，這種解釋也還有問題沒有解決：根據(jù)這種包含兩種質(zhì)量相似超伴子的模型，宇宙中的暗物質(zhì)含量應(yīng)該遠(yuǎn)比天文學(xué)家現(xiàn)在觀測到的高。因此，佩斯金解釋說，即便這種模型正確，也還需要補(bǔ)充一種能夠削減理論預(yù)言暗物質(zhì)含量的機(jī)制。這無疑會增加理論的復(fù)雜性。為了讓現(xiàn)有超對稱理論符合觀測結(jié)果，其所有組成部分“只能是這樣”。

與此同時，物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了更多μ子異?，F(xiàn)象的線索。大型強(qiáng)子對撞機(jī)的一項實驗，底夸克實驗，發(fā)現(xiàn)了一些初步證據(jù)證明，B介子（一種比μ子更重的粒子）的分裂產(chǎn)物中，μ子的出現(xiàn)頻率要顯著小于電子。然而，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，除了質(zhì)量之外——μ子的質(zhì)量比電子大207倍——μ子和電子應(yīng)該在各個方面都完全一致。因此，B介子分裂產(chǎn)生的電子和μ子應(yīng)該大致相當(dāng)才對。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)底夸克實驗發(fā)現(xiàn)的μ子異常現(xiàn)象遭遇的困境與最近發(fā)現(xiàn)的μ子磁性異?，F(xiàn)象相同：出現(xiàn)了各種或許可行的解釋，但它們都“勉勉強(qiáng)強(qiáng)”。巴黎-薩克雷大學(xué)物理學(xué)家亞當(dāng)·法爾科夫斯基（Adam Falkowski）說：“看到大家把一個個超對稱理論僵尸模型從墳?zāi)估锿铣鰜恚液苁钦痼@?！?/p>

其他選項

物理學(xué)家表示，他們現(xiàn)在要構(gòu)建的理論既要解釋μ子g-2實驗的所有發(fā)現(xiàn)，又要解釋大型強(qiáng)子對撞機(jī)的實驗結(jié)果。于是，這個任務(wù)就變得越發(fā)艱巨起來。“極少有模型能夠同時解釋這兩個方面。”史多金格說。特別需要指出的是，能夠解釋μ子g-2實驗和暗物質(zhì)的超對稱模型對解釋大型強(qiáng)子對撞機(jī)的底夸克實驗完全無能為力。

盡管如此，還是有一些方案或許可以奇跡般地同時解決這兩方面的問題。其一就是輕子夸克。輕子夸克是一種假想粒子，它能將夸克轉(zhuǎn)變成μ子或電子（μ子和電子都是輕子）。早在20世紀(jì)70年代，就有物理學(xué)家嘗試令粒子物理學(xué)“大統(tǒng)一”，也即嘗試證明三種基本力——強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力和電磁力——是同一種力的不同方面。輕子夸克理論有望復(fù)興這種嘗試。

20世紀(jì)70年代的大部分大統(tǒng)一理論都沒能通過實驗的檢驗，存活下來的輕子夸克理論則變得相當(dāng)復(fù)雜，但仍然擁有不少支持者。“輕子夸克理論可以解決另一大謎團(tuán)：為什么不同粒子族的粒子質(zhì)量差異這么大?！比鹗刻K黎世大學(xué)理論物理學(xué)家基諾·伊斯多利（Gino Isidori）說。一種粒子族的粒子由質(zhì)量較輕的夸克（質(zhì)子和中子的組成部分）和電子構(gòu)成。另一種粒子族的粒子由質(zhì)量較重的夸克和μ子構(gòu)成。還有一種粒子族的粒子則由質(zhì)量更重的基本粒子構(gòu)成。

除了輕子夸克理論之外，有望同時解決大型強(qiáng)子對撞機(jī)底夸克實驗和μ子g-2實驗反常結(jié)果的另一重要候選方案，是一種叫作“Z’玻色子”的粒子。之所以叫這個名字，是因為這種粒子與Z玻色子相似，后者攜帶著與核衰變有關(guān)的“弱相互作用力”。英國劍橋大學(xué)理論物理學(xué)家本·阿拉納赫（Ben Allanach）說，Z’玻色子同樣有助于解決三種粒子族粒子質(zhì)量差異之謎?！拔覀儸F(xiàn)在構(gòu)建的模型會很自然地推導(dǎo)出某些特征，你能輕松認(rèn)識到這三族粒子之間的差異?！彼f。阿拉納赫還補(bǔ)充說，輕子夸克理論和Z’玻色子理論有一個共同的優(yōu)點：大型強(qiáng)子對撞機(jī)的實驗結(jié)果還沒有徹底排除它們成立的可能，但這部機(jī)器最終一定會告訴我們，這兩種理論究竟是否成立。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)目前正處于設(shè)備升級階段，等到2022年4月，它將重新啟動。屆時，大量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)可能會更加突顯μ子反?，F(xiàn)象，同時也可能為我們長期以來一直在尋找的新粒子提供線索。（不過，佩斯金表示，要想做到這點，需要調(diào)整一部尚處計劃階段且原本旨在研究希格斯玻色子的電子-正電子對撞器，以使其能夠解決大型強(qiáng)子對撞機(jī)的部分盲點問題。）與此同時，明年開始的新一輪μ子g-2實驗將會為物理學(xué)家提供更多實驗結(jié)果。一旦我們更準(zhǔn)確地掌握了這些數(shù)據(jù)，有關(guān)μ子磁性的實驗結(jié)果與理論預(yù)言之間的差異程度本身就能排除或支持某些解釋。

除非，在新一輪規(guī)模更大、精確度更高的實驗中，這種差異消失了。那就證明標(biāo)準(zhǔn)模型再度勝出。實際上，在今年4月的一份報告中，標(biāo)準(zhǔn)模型對μ子磁性的最新理論計算結(jié)果已經(jīng)與實驗結(jié)果大為接近。到目前為止，無一例外，那些反對標(biāo)準(zhǔn)模型的人最終全部失敗了，這令物理學(xué)家們很是謹(jǐn)慎。“我們——或許——正處于新時代的起點。”史多金格說。

資料來源Nature