美国费米实验室的最新 μ 子试验结果对物理学有多大颠覆？粒子的标准模型有被「推翻」的风险吗？ | 子乾

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导读

此次μ子的结果如果能够被确认，那么对于下一步高能物理的发展方向、探索超出标准模型的新物理提供重要指导。若有幸真的与暗物质能扯上关系，那么这将会大大增加我们对宇宙的认知，毕竟宇宙中暗物质的含量是普通可见物质的五倍还多！

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为什么是μ子而不是电子？

新物理在哪？

精细测量的意义

又是一个被刷屏的新闻，鉴于我本人并不是做这个方面的研究，没敢第一时间就回答这个问题。现在这个问题下各位大佬已经把这个实验说的很清楚了，我就随便写点吧~

1、为什么是μ子而不是电子

首先还是把这张用了无数遍的标准模型的图再次放出来：

电子、 子都是标准模型中的基本粒子， 子的质量是电子的200多倍，除此之外，它们俩没有什么区别。（好多文章里说 子是电子的二表哥，我感觉说子是电子的爹可能更好一点，毕竟不是一代！）

子有磁矩，电子当然也有磁矩。磁矩的形式为：

，

其中 为电荷， 为粒子的质量， 为光速， 为自旋。其实这几个量并不重要，最有意思的是前面的那个系数 ，学名叫做“朗德g因子”。传统的狄拉克理论认为，

,

狄拉克理论是量子场论发展出来之前的一个“经典”理论。然而后来发展起来的量子场论认为，真空并不空！

一个静止的电子，看似岁月静好，但实则是风起云涌！

在电子的激发下，它周围的空间中会涌现出大量的正反粒子对，又在转瞬之间消失的无影无踪！

这样的过程被称为“虚过程”，也叫做“量子涨落”，其中被激发出来又转瞬即逝的粒子，也叫做“虚粒子”。

QCD真空中的量子涨落（图^[1]）

虽然有一个“虚”字，但是影响却是实实在在的！

如果没有这些虚过程，那么 没有问题，但是正是由于这些虚过程的存在，使得 会偏离2，偏离的部分就叫做“反常磁矩”，并因此定义了

来表示其反常程度，这也是本次实验测量的物理量。

当然，不同粒子激发虚粒子的能力也不同，质量越大的粒子，就能激发越重的虚粒子，实际上，这种能力跟粒子质量的平方成正比，因此 子的激发能力是电子的40000多倍！

当然，激发能力弱，我们对电子反常磁矩的理论计算就会容易很多，因为只需要考虑很简单的激发情况就能保证足够的精度，目前，电子反常磁矩的理论计算值是^[2]：

，

而实验测量结果为：

，

二者在小数点后第11位都保持相同！！！

这无疑是量子电动力学（量子场论版本的电磁理论）的巨大成功，这也使得量子电动力学成为人类有史以来最为精确的理论了（没有之一）。

然而，当计算 子的反常磁矩的时候就没有这么容易了，它周围会有更多更重的虚粒子被激发出来，对于电子没有什么影响的粒子，此时就变得很重要！

本次实验结果

子反常磁矩的理论预测为：

而整合最新的数据后，实验结果为：

在小数点后第8位开始出现差距！这一差距让大家不得不认真对待。

2、新物理在哪？

我们先不去考虑可能的实验测量的不足，或者理论计算中可能的错误，而是看一下这个结果可能带来的意义，也就是新物理。正是看到了这一点，本次的结果才会引起物理学界的广泛关注。

可以说，标准模型是物理最伟大的成就之一，但是建立这么多年之后，人们也慢慢看腻了，实际上，目前大家普遍认为，标准模型并不“标准”，宇宙中还有新的现象没法解释，还有新的粒子没有被发现。

那么，超出标准模型的新物理、新粒子到底在哪呢？本次 子的结果或许能提供一定的指导。

上面说了， 子激发虚粒子的能力比电子强很多。原则上说，只要是自然界中存在的基本粒子，都会被激发，只是程度强弱的问题。而标准模型理论计算比实验小，就暗示自然界中还存在一些没有被发现的新粒子。

而对新粒子的探索也不完全是空穴来风。目前，根据天文学观测，宇宙中普通的可见物质，只占到了宇宙总成分的5%，另外还有27%的看不见摸不着的暗物质，以及68%左右的暗能量。

我们对暗物质的观测主要来自于天文观测中的引力效应，但是对于构成暗物质的粒子，也就是暗物质粒子，完全没有头绪。暗物质对普通物质没有明显的影响（除引力外），因此不参与电磁相互作用以及强相互作用，或许参与弱相互作用，也或许不参与。理论上会构建很多具体的模型来探讨暗物质可能的性质，甚至还会有引入第五种相互作用力！

对于新粒子的理论探索有很多，其中有一个大家比较熟悉的理论，超对称模型，是对标准模型的一个推广，认为标准模型中的每一个粒子都伴随着一个超对称粒子，由于宇宙演化过程中发生的某种对称性自发破缺，使得超对称粒子质量变得很重很重，因此很难被发现。

超对称模型示意图。镜子外面的是普通粒子，镜子里面的是超对称粒子。

人们在太空中、地底下以及对撞机中，通过各种办法寻找超对称粒子、暗物质粒子的踪迹，但是遗憾的是，到目前为止，没有任何实验能够给出确凿的证据说这些粒子存在！

如果把这些信息都放到一起，就很容易理解物理学家们的兴奋了。此次 子的结果如果能够被确认，那么对于下一步高能物理的发展方向、探索超出标准模型的新物理提供重要指导。若有幸真的与暗物质能扯上关系，那么这将会大大增加我们对宇宙的认知，毕竟宇宙中暗物质的含量是普通可见物质的五倍还多！

3、精细测量的意义

对于这次本次测量的结果，以及理论与实验不断增加的精度，有人也提出了异议，认为这样高的精度是没有必要的。

但如果对物理学史有所有了解的话，就明白物理学中有不少重大发现都是源于精度的提高！或者说，源于理论与实验的不同！

• 海王星的发现。人们在发现天王星之后，开始测量其运动轨道，可是，观测了一个时期以后，却发现天王星是一个“性格很别扭”的行星。因为別的大行星都循着科学家推算出来的轨道绕太阳运行，只有天王星有点不安分，它在绕太阳运行的时候，老是偏离它应走的路线^[3]。行星之间的万有引力会影响他们的轨道，经过仔细计算之后，推算，太阳系中还存在另一颗没有被发现的行星，影响了天王星的运动轨迹。1846年9月23日，德国天文学家伽勒用望远镜看到了法国天文学家勒威耶和英国天文学家亚当斯同时独立地用天体力学理论所算出的一个当时尚未发现的新行星，这就是海王星^[3]。

• 水星进动。按照牛顿万有引力定律，行星绕太阳运动轨迹是一个封闭的椭圆，不会发生变化。但是对水星运动轨迹的精确测量发现，它的轨道在逐渐变化，长轴也在缓慢的转动，即进动现象，速率为每百年1°33′20"，然而根据牛顿理论计算得到结果为每百年1°32′37"，即使考虑了其它行星带来的影响，理论依然与实验不相符。这最早是在1859年被法国天文学家勒维耶发现。直到广义相对论建立起来之后，这一现象才被很好地解释，水星进动问题也是验证广义相对论的主要现象之一。

实际上，当下和未来也有许多量需要进一步的精确测量：

• 万有引力常数 。对电磁相互作用我们能测得很精确（比如电子磁矩），那么引力自然地也要测得精确一点。其中万有引力常数 其中很关键的量，对这一量的精确测量一直在持续，但是由于万有引力本身很弱，因此测量误差一直很大。很多不同实验结果也有明显差距。相对于电磁力的精确结果，可以说，我们对万有引力了解的很粗糙。

2000年之后部分测量的结果（图^[4]）

• 希格斯粒子。2013年发现希格斯粒子可以说标准模型的巨大成功，但是我们对希格斯粒子的了解几乎只有“存在希格斯粒子，质量为125GeV”，它的很多细节和性质我们并不怎么了解，甚至都不知道它是不是基本粒子。作为标准模型中费米子质量的来源，我们理应对其有更进一步的认知。而这也是新物理的发展方向之一，即建造希格斯粒子工厂，精确测量希格斯性质。当然，这就需要建造新的大型对撞机，中国正在推进的CEPC就是其中之一，我想很多人对此都有了解。

位于欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC一角

当然，理论与实验室相辅相成的。实验的精确测量离不开理论精确计算的验证，而理论的结果又离不开实验的验证。真理永远在小数点后一位。实际上，理论的精确计算并不容易，涉及到的精度越高，所需要的算力也就越大。目前这种级别的计算是需要使用超级计算机的，而且计算时间也要按月来算。

4、总结

这次结果不是最新的，实际上20年前就已经发现了 子反常磁矩理论与实验的差距，而此次的数据进一步强化了这个结果。但是，现在还不能过于兴奋，因为毕竟结果还没有到5 ，实验结果出错的概率并不太小，还需要耐心等待费米实验室未来几年进一步的结果。如果被确认，到那时再兴奋也不迟。

扩展阅读：

参考资料：

1.http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/ImprovedOperators/index.html

2.https://en.wikipedia.org/wiki/Anomalous_magnetic_dipole_moment

3.http://www.kepuchina.cn/2016zt/100000whys/02/201803/t20180313_557201.shtml

4.https://www.eurekalert.org/multimedia_ml/pub/12185.php

背景简介：本文作者为子乾，中国科学院高能物理研究所在读博士。本文是作者在知乎上对问题“美国费米实验室的最新 μ 子试验结果对物理学有多大颠覆？粒子的标准模型有被「推翻」的风险吗？”的回答（https://www.zhihu.com/question/453465762/answer/1832655459），作者授权风云之声在微信首发。

责任编辑：祝阳