作者:辛雨 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/14 11:19:16
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基本粒子“怪异行为”暗示存在未知干扰

 

美国费米实验室的μ介子实验进一步证明了标准模型不完整。图片来源:Ryan Postel/Fermilab

本报讯 粒子物理学的标准模型开始出现“裂缝”。据《科学》消息,一种叫作μ介子的基本粒子行为怪异。美国费米国家加速器实验室的新实验结果表明,μ介子的行为不同于标准模型预测,这可能意味着现有理论模型之外,还存在着奇怪的力和粒子。

科学家在实验中观察到的差异体现在μ介子暴露于磁场时的自旋速率。该自旋速率用g因子数字表示,这由介子和其他粒子之间的相互作用决定。如果标准模型是正确的,并且考虑了所有存在的粒子和力,那么g因子应该是2。但一系列测量结果显示,μ介子的旋转速度似乎比预期的要快得多,g因子为2.002。

μ介子的自旋速率用一种叫作进动的物理现象测量,在这种现象中,粒子在旋转时会轻微摆动。实验中,介子以接近光速的速度在磁存储环周围爆炸,当它们运动时,它们与由于量子效应而出现和消失的虚拟粒子相互作用。随后,研究人员在所谓的摆动图上绘制μ介子的进动率,从而计算g因子。

费米实验室的新测量结果比以往任何测量都要精确,测量g因子的精度达到百万分之二。该精度是费米实验室在2021年宣布的上一组测量结果的两倍。重要的是,此次测量结果达到5西格玛的置信水平,在粒子物理学中,5西格玛测量被认为是安全可靠的发现,而不仅仅是一个提示。这意味着,如果标准模型是正确的,那么像这样的数据模式显示的结果,侥幸所得的统计可能性大约是350万分之一。

为达到这种精确度,研究人员分析了远超2021年所用的数据量。2021年时,只有2018年收集的数据可供分析,而新的研究增加了2019年和2020年的数据,使观测到的μ介子总数增加了3倍多。此外,研究人员改进了实验方案,包括稳定μ介子束和更好表征用于μ介子自旋的磁场。目前,研究人员正在努力将2021年至2023年的数据纳入最终的μ介子g因子报告,该报告预计将于2025年发布。

科学家认为,这些测量结果的影响仍无法估量,特别是目前人们正处于理解μ介子g因子理论阶段的情况下。但是,如果测量和观察之间的差异在未来的计算中仍然存在,那就意味着标准模型很可能遗漏了某种粒子。这个粒子可能会以虚拟粒子的形式出现,通过某种尚未被探测到的力干扰μ介子,然后消失。如果这种粒子存在的话,还需要更精确的测量来了解它。(辛雨)

 
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