7月24日，一个庞大的研究团队在利物浦召开会议，公布了一个与μ子行为有关的数字。μ子是一种亚原子粒子，可能会打开通往宇宙新物理学的大门。
当有人输入密码公布结果时，所有人的目光都集中在电脑屏幕上。第一个跳出来的数字让人很恼火:很多人都在担心地喘着气，“我的天哪”和“我们做错了什么”。但经过最后的计算，“横跨多个大陆的人集体呼出了一口气，”弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)的物理学家凯文·皮茨(Kevin Pitts)说，他在五个小时的车程之外，通过网络参加了会议。新的测量结果与物理学家两年前的计算结果完全吻合——现在精度提高了一倍。
这是μ子g-2合作项目的最新结果，该项目在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory，简称Fermilab)进行了一项实验。，以研究介子的异常运动。这一测量结果于周四上午向公众公布，并提交给了《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志。它使物理学家更接近于弄清楚，组成宇宙的物质和能量类型是否比已知的更多。
“这一切都归结为一个数字，”麻省理工学院林肯实验室(Massachusetts Institute of Technology)的物理学家汉娜·宾尼(Hannah Binney)说，她是一名研究生，从事μ子测量工作。
科学家们正在测试标准模型，这是一个包含自然界所有已知粒子和力的宏大理论。尽管标准模型成功地预测了无数实验的结果，但物理学家长期以来一直预感到它的框架是不完整的。该理论无法解释引力，也无法解释暗物质(将我们的宇宙粘合在一起的粘合剂)或暗能量(将宇宙拉开的力量)。
研究人员寻找超越标准模型的物理学的许多方法之一是研究介子。作为电子的近亲，μ介子是不稳定的，在衰变成更轻的粒子之前只能存活两百万分之一秒。它们也像小条形磁铁一样:把一个μ子放在磁场中，它就会像陀螺一样摆动。这种运动的速度取决于介子的一种被称为磁矩的特性，物理学家将其缩写为g。
理论上，g应该正好等于2。但物理学家们知道，这个值会被虚粒子的“量子泡沫”弄得乱七八糟，这些虚粒子会忽明忽暗地出现又消失，并阻止真空变为真正的真空。这些瞬态粒子改变了介子摆动的速率。通过计算标准模型中所有的力和粒子，物理学家可以预测g会被抵消多少。他们称这个偏差为g-2。
但是如果有未知的粒子在起作用，实验测量的g将不符合这一预测。“这就是研究μ子如此令人兴奋的原因，”宾尼博士说。“它对所有存在的粒子都很敏感，即使是那些我们还不知道的粒子。”她补充说，理论和实验之间的任何差异都意味着新的物理学即将出现。
为了测量g-2，费米实验室的研究人员产生了一束μ子，并将其引导到一个直径50英尺的甜甜圈形状的磁铁中，内部充满了突然变成现实的虚拟粒子。当介子在环上奔跑时，沿着环边缘的探测器记录下了它们摆动的速度。
研究小组使用了400亿个μ子——是研究人员在2021年获得的数据的五倍——测量到g-2的值为0.00233184110，与2的偏差为十分之一。结果的精度为百万分之0.2。皮茨博士说，这就像测量纽约市和芝加哥之间的距离，误差只有10英寸。
“这是一项了不起的成就，”曼彻斯特大学(University of Manchester)物理学家、μ子g-2合作项目成员亚历克斯·凯沙瓦兹(Alex Keshavarzi)说。“这是世界上在粒子加速器上进行的最精确的测量。”这些结果在周四上午的一个科学研讨会上向公众公布时，受到了热烈的掌声。
“这些人设法达到的精确度令人震惊，”芝加哥大学(University of Chicago)的理论宇宙学家丹·胡珀(Dan Hooper)说，他没有参与这项工作。“有很多人怀疑他们会走到这一步，但他们走了。”
但是测量到的g-2是否符合标准模型的预测还有待确定。这是因为理论物理学家有两种计算g-2的方法，基于不同的方法来计算将质子和中子结合在原子核内的强作用力。
传统的计算方法依赖于40年来世界各地进行的强作用力测量实验。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois Urbana-Champaign)的理论物理学家、μ子g-2理论倡议(Muon g-2 Theory Initiative)的主席阿依达·卡德拉(Aida El-Khadra)说，通过这种方法，g-2的预测只能和所使用的数据一样准确。她说，实验数据的限制会使这种预测不那么精确。
一种被称为晶格计算的新技术也出现了，它使用超级计算机将宇宙建模为一个由时空点组成的四维网格。El-Khadra博士说，这种方法根本不使用数据。只有一个问题:它生成的g-2预测与传统方法不同。
“没人知道这两者为什么不同，”凯沙瓦兹博士说。“它们应该完全一样。”
凯沙瓦齐说，与传统预测相比，最新的g-2测量结果的误差超过了5西格玛(5 sigma)，也就是说，这个结果是偶然的概率是350万分之一。他还说，这种确定性超出了宣布发现所需的水平。(这比他们在2021年的4.2西格玛测量结果和世纪之交在布鲁克海文国家实验室完成的3.7西格玛测量结果有所改善。)
但当他们将其与晶格预测进行比较时，Keshavarzi博士说，没有任何差异。
皮茨博士说，在物理学中，实验很少能超越理论，但这是其中一次。“人们的注意力集中在理论界，”他补充说。“现在的焦点都在他们身上。”
宾尼博士说，“我们都迫不及待地想看看这个理论的讨论结果如何。”物理学家希望到2025年能更好地理解g-2的预测。
费米实验室的理论粒子物理学家Gordan Krnjaic指出，如果实验与理论的分歧持续下去，这将是“新物理学的第一个确凿的实验室证据，”他说。“这很可能是我们第一次打破标准模型。”
当两大理论阵营争论不休时，实验学家将进一步完善他们的g-2测量。他们有两倍多的数据需要筛选，一旦包括这些数据，他们的精度将再提高两倍。“未来是非常光明的，”利物浦大学(University of Liverpool)的物理学家、μ子g-2实验的负责人之一格拉齐亚诺·维南佐尼(Graziano Venanzoni)在关于结果的公开新闻发布会上说。
最新的结果使物理学家离标准模型的决战又近了一步。但是，即使新的物理学被证实存在，也需要做更多的工作来弄清楚它到底是什么。已知的自然法则是不完整的，这一发现将为新一代的实验奠定基础，凯沙瓦兹博士说，因为它将告诉物理学家该往哪里看。
“当理论和实验不一致时，物理学家会非常兴奋，”费米实验室的理论物理学家埃琳娜·皮涅蒂(Elena Pinetti)说，她没有参与这项工作。“那是我们真正能学到新东西的时候。”
皮茨博士花了近30年的时间来拓展标准模型的界限，对他来说，新物理学的证明既是一个值得庆祝的里程碑，也是一个提醒，提醒他还有很多工作要做。他说:“一方面，人们会说，举杯庆祝成功，庆祝真正的突破。”“但之后就得回去工作了。我们接下来可以有什么想法?”
卡特里娜·米勒(Katrina Miller)是《纽约时报》的科学记者。她最近在芝加哥大学获得了粒子物理学博士学位。更多关于卡特里娜·米勒的信息
63
63
