从μ介子的磁矩来证明新物理学？ 根据新的理论计算，也许不是

当一项实验的结果与当时最好的理论所做的预测不一致时，就一定是哪里出了问题。

15年前，布鲁克海文国家实验室的物理学家们发现了一些令人费解的现象。μ介子, 一种亚原子粒子, 正在以出乎意料的方式运动，这与理论预测不相符。这个理论是错的吗?实验取消了吗?或者，这是新物理学的证据吗?

从那以后，物理学家们一直试图解开这个谜团。

费米实验室的一个小组处理了实验方面的问题，并发布了证实原始测量结果的通告, 但我和同事们采取了不同的方法。

我是一名理论物理学家，也是布达佩斯-马赛-伍珀塔尔合作项目(Budapest-Marseille-Wuppertal collaboration) 的发言人和两名协调人之一。这是一场大规模的物理学家合作，他们一直在试图验证旧的理论预测是否错误。我们使用了一种新的方法来计算μ介子如何与磁场相互作用。

我的团队的理论预测不同于原来的理论，既符合旧的实验证据，也符合新的费米实验室数据。如果我们的计算是正确的，它就解决了理论和实验之间的差异，并表明自然界不存在一种未被发现的力量。

我们的研究结果发表在《自然》杂志上，与新的实验结果同一天发表。

物理学的标准模型是迄今为止最精确的宇宙理论。(图片来源:Cush/Wikimedia Commons)

介子和标准模型

μ介子比电子更重且并不稳定, 它们就在我们身边。例如，当宇宙射线与地球大气层中的粒子相撞时，就会产生μ介子, 它们能够穿过物质。研究人员已经利用它们探测了火山, 埃及金字塔等的内部结构。

μ介子和电子一样，带有电荷并产生微小的磁场。磁场的强度和方向称为磁矩。

宇宙中的一切——从原子如何形成到你的手机如何工作，再到星系如何运动——几乎都可以用四种相互作用来描述。你可能对前两个很熟悉:重力和电磁学。第三种是弱相互作用，这是造成放射性衰变的原因。最后是强相互作用，这种力将原子核中的质子和中子结合在一起。物理学家称这个框架(减去重力)为粒子物理学的标准模型。

标准模型的所有相互作用都对μ介子的磁矩有所贡献，而且每个相互作用都以多种不同的方式产生作用。物理学家非常精确地知道电磁和弱相互作用是如何做到这一点的，但要确定强相互作用是如何影响μ介子磁场的，已被证明是极其困难的。

μ介子的磁场已被证明难以预测。(图片来源:Newton Henry Black/Wikimedia Commons)

有关磁的谜团

在强相互作用对μ介子磁矩的所有影响中，最大且最难以精度计算的影响被称为领先阶强子真空偏振。

过去，为了计算这种效应，物理学家们使用了理论和实验相结合的方法。他们将从电子和正电子(即电子的对立面)之间的碰撞中收集数据，并用这些数据来计算强相互作用对μ介子磁矩的贡献。几十年来，物理学家们一直在使用这种方法来进一步完善这一估计。最新的结果出自2020年，物理学家们已经得出了非常精确的估计。

这种磁矩的计算方法是实验物理学家几十年来一直在测试的。最精确的实验结果来自15年前的实验。在布鲁克海文国家实验室，研究人员在粒子加速器中创造了μ介子，然后用一个50英尺宽(15米)的巨大电磁铁观察它们如何在磁场中移动。通过测量μ介子运动和衰变的方式，他们能够直接测量μ介子的磁矩。当布鲁海文2006年直接测量的μ介子磁矩比理论上的数据更大时，人们感到非常惊讶。

面对这种差异，有三种选择:要么理论预测不正确，要么实验不正确，要么正如许多物理学家所相信的那样，这是一种未知的自然力量的迹象。

到底是哪一个呢?

新理论

我和同事们选择了第一个:这个理论可能在某种程度上是错误的。所以，我们决定尝试找到一种更好的方法来进行计算和预测。我们的物理学家团队选取了最强相互作用最基本的基础方程，把这些方程放在一个时空网格上，同时尽可能多地求解它们。

这项技术有点像做天气预报。商业飞机在飞行途中，会测量地球上给定点的压力、温度和风速。类似地，我们把强相互作用方程放在时空网格上, 然后将各个点的天气数据输入一台超级计算机，该计算机将所有数据结合起来，以预测天气的演变。我们的团队将强相互作用力放在网格上，并寻找这些磁场的演化。在天气预报中, 收集数据的飞机越多，预测就越好。运用这个比喻，我们使用数十亿架飞机来计算最精确的磁矩，即在的多个超级计算机中心使用计算机处理数百万小时的时间。

我们的新方法对μ介子磁场强度的估计与布鲁克海文科学家测量的实验值非常接近。它基本上弥合了理论和实验测量之间的差距。如果实验无误，就证实了指导粒子物理学几十年的标准模型仍然正确, 也并不存在无形的神秘力量。

费米实验室的实验，使用来自布鲁克海文的相同磁铁，测量了μ介子的磁矩, 与布鲁克海文的实验结果相吻合。(图片来源:雷达·哈恩/费米实验室)

新的实验

但我和我的同事并不是唯一追寻这个谜团的人。其他科学家，比如芝加哥附近粒子加速器费米实验室的科学家们，选择了测试第二种选择:布鲁克海文的实验有误。

在费米实验室，物理学家们一直在继续布鲁克海文完成的实验，以测量更精确的μ介子磁矩。他们使用了更强的μ介子源，从而得到了更精确的结果, 并与旧的测量结果几乎完全吻合。

费米实验室的结果有力地表明实验是正确的。我和我的同事所做的新的理论预测与这些实验结果都相吻合。虽然发现新物理学的线索可能是令人兴奋的，但我们的新理论似乎表明，这一次，标准模型是成立的。

但仍有一个谜:最初的预测和我们新的理论结果之间的差距。我和我的团队相信我们的结果是正确的，但这是科学界首次得出这样的结果。在科学的探索之路上，总是需要做其他的计算来证实或反驳它。

BY:Zoltan Fodor

FY: James Xu

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