幾十年來，關於一種名為μ介子的微小亞原子粒子的令人費解的分歧引發了人們的猜測，即物理學家可能即將發現一種全新的自然力。現在，由賓州州立大學物理學家領導的國際研究小組表示，這個謎團似乎已經解決，並且答案支持而不是推翻現有的物理學。
研究人員在雜誌上發表了他們的發現 自然描述了有史以來最精確的粒子物理計算之一。他們的工作表明，長期爭論的理論和實驗之間的差異可能是由早期計算的限製造成的，而不是未知物理學的證據。
「新物理學」數十年的希望
這個謎團集中在μ介子上，這是一種類似電子的短壽命粒子，但重量是電子的 200 倍。 60 多年來，μ 子磁性行為的測量似乎與標準模型的預測不一致，標準模型是科學家用來描述宇宙基本粒子和力的框架。
這一差異令物理學家興奮不已，因為它暗示了尚未發現的粒子或四種已知基本力之外的新「第五力」的可能性。
賓州州立大學傑出物理學教授、該研究的主要作者佐爾坦·福多爾 (Zoltan Fodor) 表示：「在過去 60 年左右的時間裡，進行了許多計算，隨著它們變得越來越準確，它們都指出了一種差異和一種新的相互作用，這將推翻已知的物理定律。」 「我們應用了一種新方法來計算這種結果和一種新的相互作用，這將推翻已知它的不存在。
團隊花了十多年的時間來完善計算。他們的最終結果與理論預測和實驗測量結果一致，誤差在半個標準差之內。 Fodor 表示，這項新工作將標準模型確認為小數點後 11 位，並顯著降低了未知物理隱藏此精確測量的可能性。
「人們問我做出這項發現感覺如何，說實話，我感到有點悲傷，」福多說。 「當我們開始計算這個量時，我們認為我們會對新的第五力有一個良好、可靠的估計。相反，我們發現不存在第五力。我們不僅找到了標準模型的非常精確的證明，而且還找到了建立標準模型的量子場論。”
μ子的奇怪磁性行為
這項研究的重點是一種稱為μ子磁矩的特性，它描述了粒子像微小磁鐵一樣的強度。量子理論預測該值應等於二，它代表了粒子的渦度與其周圍磁場之間的關係。
然而，在實際實驗中，該值會略有變化，因為其他粒子在真空中短暫出現和消失，微妙地影響了μ子的行為。這個小偏差被稱為「異常磁矩」或 g−2。
由於μ子比電子重得多，因此它們對這些難以捉摸的量子效應特別敏感。這種敏感性使 μ 子 g−2 成為現代物理學中研究最多的測量之一。
1960 年代和 1970 年代在歐洲核子研究中心、後來在布魯克海文國家實驗室以及最近在費米國家加速器實驗室進行的實驗，以令人難以置信的精度測量了 μ 子的磁矩。這些實驗獲得了基礎物理學進步獎，這是世界上最負盛名的科學獎之一。
多年來，實驗測量結果仍與標準模型的預測不一致，這增強了人們對全新事物可能影響μ子的希望。
為什麼強大的力量讓問題變得如此困難
計算μ介子行為的挑戰主要來自於強力，這是四種已知基本力中最強的。強力將夸克束縛在質子、中子和其他粒子內部。
與重力或電磁力不同，隨著粒子移動得更遠，強力會變得更強，就像橡皮筋被拉得更遠一樣。試圖分離受強力束縛的粒子需要大量能量，以至於在過程中可能會產生全新的粒子。這些額外的粒子使計算更加複雜。
由於這種極端的複雜性，在標準模型中準確預測 μ 子行為仍然是粒子物理學中最困難的問題之一。
超級電腦與網路量子色動力學
為了解決這個問題，研究人員依靠量子網路色動力學，這是一種使用大型超級電腦模擬強力的計算技術。該方法將空間和時間劃分為非常精細的網格，使科學家能夠對控製粒子相互作用的方程式進行數值求解。
「舊的方法涉及收集數千個實驗結果並重新解釋它們以獲得一個數字，即μ子的磁矩，」福多爾說。 “我們的方法完全不同。我們將時空分成非常小的單元，一個網格，然後求解標準模型的方程式。這個計算背後有很多理論、數學、程式設計、計算知識和計算機體系結構。”
在過去的十年中，晶格計算變得越來越強大，但要達到μ介子 g−2 計算所需的精度仍然極其困難。因此，該團隊結合了多種方法。
他們使用網路運算來計算細胞之間的短距離和中距離，並結合高度可靠的實驗測量來測量較大距離，其中現有數據非常一致。這種混合策略比單獨依賴任何一種方法更有效地減少了不確定性。
研究人員還使用比以前的研究更精細的網格來模擬方程，進一步提高了準確性並減少了可能的錯誤。
最終的計算代表了對μ子磁矩的最準確的測定。當標準模型的完整預測被納入時，長期以來與實驗的分歧基本上消失了。
福多爾說：“該預測將弱電磁力和強電磁力結合在一起，每種電磁力都需要非常不同的理論工具，並進行精確到十億分之一的單一計算。” “這表明我們真正了解自然在非常深的層面上是如何運作的。”
結果對物理學意味著什麼
研究人員表示，這些發現並沒有完全排除尚未發現物理學的可能性。然而，超越標準模型的最有力的潛在線索之一已經變得更加引人注目。
未來的實驗可能會在其他地方找到新粒子或力的證據，但目前，標準模型仍受到嚴格審查。
福多爾說：“我們沒有得到第五種力，但我們得到了量子理論的一個非常好的、可能是最好的證明，這個理論是我們對自然最基本問題的所有理解的基礎。”
賓州州立大學的部分研究得到了美國能源部和歐洲研究委員會的支持。
