Muon Polution的“Wobble”似乎打破了物理定律

介子的奇怪行为可以解释宇宙最大的谜团之一。

基本粒子是宇宙的构建块。他们要么聚集在一起创造物质,或者他们携带对这事物的性质的力量。

在20世纪70年代,物理学家发展了一种理论,对所有17种基本粒子进行了分类,并描述了四种力中的三种(引力被排除在外)——粒子物理学的标准模型。

使用标准模型作为指导,物理学家应该能够准确地计算涉及颗粒和力的相互作用。

然而,在2001年,一项涉及一种被称为“介子”的基本粒子的实验让物理学家们怀疑这个理论是否有问题——而两项新的研究再次将这种粒子置于聚光灯下。

摇摆μ子实验

介子是宇宙射线与地球上层大气中的粒子相互作用时产生的。这些粒子就在我们周围,它们很像电子,只是质量大200倍——这使它们赢得了“胖电子”的绰号。

2001年,布鲁克海文国家实验室的研究人员学习muons.当他们发现他们的预测(基于标准模型)和他们在实验中实际记录的测量值之间的差异时。

实验的重点是确认丘陵磁场的强度,一个称为“磁矩介子被发射到粒子加速器周围。然后在粒子上施加一个磁场,使它们像陀螺一样旋转和摆动。

这种摆动可以用来确定μ子的磁矩,但μ子的摆动比预期的要多,记录的测量结果与预测不相符。

由纯机会造成的差异造成的概率太高(1,000人中的一个),因为它被认为是物理学的新发现 - 为此,概率需要只有350万元。

但它在物理学界引起了轩然大波。

这有力地证明了介子对一些我们最好的理论中没有的东西是敏感的。


Renee Fatemi.

现在,费米国家加速器实验室的研究人员再次运行μON实验,并在其预测和实验测量之间发现了相同的差异。

这一次,侥幸的几率只有四万分之一——还不足以称之为新发现,但比布鲁克海文的结果更具体。

“我们测量的这个量反映了介子与宇宙中其他一切事物的相互作用,”研究人员Renee Fatemi在一次新闻稿.“但当理论家使用标准模型中所有已知的力和粒子计算出相同的量时,我们得不到相同的答案。”

“这是一个强有力的证据,证明介子对一些我们最好的理论中没有的东西很敏感。”

这个“东西”可能是一种未知的粒子,这表明了第五种自然力量——一种可能能够解释暗物质被认为包括超过四分之一的宇宙。

拯救粒子物理的标准模型

然而,目前还没有人重写粒子物理的标准模型——也有一种可能性,即理论预测(实验数据预期匹配的数字)从一开始就不正确。

独立,本质上发表的是Fermi Research的同一天,认为,试图将标准模型从Muon威胁中拯救出来。

Brookhaven和Fermi团队都使用电子和正电子试验期间收集的数据,作为μ子实验的预测计算的一部分。

另一篇论文背后的团队,布达佩斯-马赛-伍珀塔尔合作,通过使用多台超级计算机惊人的处理能力来进行预测,消除了对实验数据的依赖。

“(w)e使用了完全验证的理论,完全独立于依赖实验测量,”铅福索在一个中说新闻稿.“我们从相当基本的方程式开始,从头开始构建整个估算。”

经过数百万CPU小时他们的预测结果与布鲁克海文和费米团队的实验结果相吻合。

这当然是我们目前必须研究的最重要的事情。


里戈

因此,在μ子首次引发标准模型的质疑20年后,物理界仍在“胖电子”是否违背现有理论的问题上存在分歧。是实验错了,还是理论错了?或者仅仅是我们对理论的理解是错误的?

不过,有一件事他们似乎都同意,那就是需要进行更多的研究。

“我的感觉是,太阳下没有任何新的东西,”帕多瓦大学的实验物理学家Tommaso Dorigo,没有参与任何一项研究,告诉《科学美国人》

“我认为这仍然更有可能成为一个理论错误计算......但它肯定是我们目前要调查的最重要的事情。”

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