介子实验对理解宇宙有何意义？

费米实验室的介子g-2实验中，一排通向粒子存储环的磁铁。

介子实验在零下450华氏度下进行，主要研究的是介子在穿过磁场时的进动或摆动。

4月7日，美国费米国家加速器实验室（FNAL）主持介子（Muon）g-2实验的科学家宣布，他们测量到了介子异于预期的行为：介子在运动过程中存在额外的摆动。这一消息引爆了物理学界，它可能不仅为解开粒子物理学的最后谜团指明了方向，还为人类理解宇宙提供了线索。

在一个世纪前的实验和爱因斯坦早期理论研究的基础上，科学家们勾勒出了有关宇宙（包括最小的粒子到最大的力）组合机制的理论框架——标准模型（SM）。标准模型很好地建立了万物连接，但仍存在漏洞，比如：暗物质就无法用SM解释。为此，科学家们制备了更庞大的实验设施（如大型强子对撞机），来研究粒子的最基本属性。然而，他们仍然没有发现任何与SM解释不一致的地方，也无法解释暗物质的缺失。

介子g-2实验结果中的微小差异，为研究人员点亮了新希望。在宇宙中，最微小的粒子影响着最大的力。每个粒子质量的细微差别都影响着大爆炸后宇宙膨胀、演化的方式。反过来，这又会影响星系的形成及物质本身。对于介子g-2实验的结果，主要存在三种可能的理论解释。理论一被称作超对称性理论，它指出，每一个亚原子粒子都存在一个伴子。超对称性理论可用于解释暗物质等问题，然而，大型强子对撞机还未发现能证实这些粒子存在的证据。理论二指出，一些未知的、相对较重的物质形式与介子存在强烈相互作用。理论三则称，可能存在其他未知的外来光粒子，它们与介子的弱相互作用引发了介子摆动。理论物理学家Gordan Krnjaic将这种光粒子称作Z子，他说：“Z子可能自大爆炸发生以来就存在了。这意味着它们可能对宇宙在最初几分钟内的膨胀速度产生了影响。”介子实验还可能与表示宇宙膨胀速度的哈勃常数相关，哈勃常数的数值会因测量方式的不同而略有差异。研究人员认为，这种差异可能正是物理学中的缺失部分。除了这三种理论外，研究人员认为介子也有可能是因受到其他维度粒子的碰撞而摆动。

目前，研究人员的首要任务是确认介子g-2实验结果的正确性——4月份公布的结果达到4.2 sigma（基准值为5 sigma）。Hooper说：“如果这是真正的物理学新发现，我们会在未来一两年内更接近真相。”介子g-2实验有很多数据需要筛选，一些非常复杂的理论计算结果即将问世。如果最终结果能达到5 sigma的置信水平，科学家们下一步的研究方向将更加明朗，新粒子是否存在也能有定数。

也许，介子实验引发的物理学界地震是一种过度反应。但在历史上，微小的差异确实推动了大规模的变动。早在19世纪50年代，天文学家在进行观测时就注意到了水星轨道与牛顿引力理论预测值存在出入。“这种反常现象和其他证据一起，最终引出了广义相对论。反常现象促使人们不断思考与尝试。我希望介子实验也会是同样的故事。”Hooper说。 

科界原创 

编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵

来源：芝加哥大学

原文链接：https://phys.org/news/2021-06-muon-g-results-universe.html

版权声明：本文由科界平台原创编译，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。转载请注明来源科技工作者之家—科界App。