物理學家現在應該欣喜若狂。從字面上看，被稱為 μ 子的基本粒子的驚人強磁性，本月一項實驗揭示，表明已建立的基本粒子理論是不完整的。如果這種差異得到證實，這將是自該理論在五十年前創立以來首次未能解釋觀測結果——沒有什麼比證明一個理論是錯誤的更讓物理學家喜歡的了。
但這項結果——由位於伊利諾伊州芝加哥附近的 Muon g – 2 實驗於 4 月 7 日宣佈——並沒有指向新的革命性理論，而是提出了一個謎題。似乎令人惱火的是，很難用一種與物理學家對基本粒子的所有其他了解相相容的方式來解釋它。而對 μ 子行為的其他異常現象，由一個對撞機實驗在 3 月份報告，只會使這項任務更加困難。結果是，研究人員不得不進行理論物理學等同於三週空翻的動作，才能使一個解釋奏效。
殭屍模型
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以超對稱性或 SUSY 為例，許多物理學家曾經認為它是擴充套件當前正規化（粒子物理學的標準模型）最有希望的理論。超對稱性有許多變體，但總的來說，它假設標準模型中的每個粒子都有一個尚未被發現的更重的對應粒子，稱為超夥伴。超夥伴可能存在於不斷在 μ 子周圍的空曠空間中出現和消失的“虛粒子”之中，這種量子效應將有助於解釋為什麼這種粒子的磁場比預期的更強。
如果是這樣，這些粒子可以同時解決兩個謎團：μ 子磁性和暗物質，即看不見的物質，它透過引力似乎阻止星系分崩離析。
直到十年前，各種證據表明，質量高達幾百個質子的超夥伴可能構成暗物質。許多人預計，位於瑞士日內瓦郊外的大型強子對撞機 (LHC) 的碰撞會產生大量這些新粒子，但到目前為止，還沒有任何粒子出現。LHC 到目前為止產生的資料表明，典型的超夥伴（如果它們存在）的質量不能低於 1,000 個質子（邊界可能更高，具體取決於超粒子的型別和超對稱性理論的風味）。
“許多人會說超對稱性幾乎已經死了，”德國德累斯頓理工大學的理論物理學家多米尼克·斯托金格說，他是 Muon g – 2 合作組織的成員。但他仍然認為它是解釋他的實驗發現的一種合理方式。“如果你把它與其他任何想法進行比較，它並不比其他的更糟糕，”他說。
斯托金格說，Muon g – 2 有一種方法可以復活超對稱性，併為暗物質提供證據。可能不是一個超夥伴，而是兩個出現在 LHC 碰撞中，它們的質量大致相似——比如說，大約 550 和 500 個質子。碰撞會產生質量更大的一個，然後它會迅速衰變成兩個粒子：較輕的超夥伴加上一個普通的標準模型粒子，帶走 50 個質子質量差。
LHC 探測器完全有能力揭示這種衰變，只要普通粒子——即帶走兩個超夥伴之間質量差的粒子——足夠大。但是一個非常輕的粒子可能會逃脫觀察。“眾所周知，這是 LHC 的一個盲點，”加利福尼亞州門洛帕克 SLAC 國家加速器實驗室的理論家邁克爾·佩斯金說。
問題在於，包含兩個質量相似的超夥伴的模型也傾向於預測宇宙應該包含比天文學家觀察到的多得多的暗物質。因此，需要一種額外的機制——一種可以減少預測暗物質數量的機制，佩斯金解釋說。這增加了理論的複雜性。為了使其符合觀測結果，它的所有部分都必須“恰到好處”地工作。
與此同時，物理學家們發現了更多暗示 μ 子行為異常的線索。LHC 的一項名為 LHCb 的實驗發現了初步證據，表明在某些稱為 B 介子的較重粒子的分解產物中，μ 子的出現頻率明顯低於電子。根據標準模型，μ 子應該在各個方面都與電子相同，除了它們的質量，μ 子的質量是電子的 207 倍。因此，B 介子應該以幾乎相等的速率產生電子和 μ 子。
巴黎-薩克雷大學的物理學家亞當·法爾科夫斯基說，LHCb μ 子異常現象與新的 μ 子磁性發現存在相同的問題：存在各種可能的解釋，但它們都是“臨時的”。法爾科夫斯基說：“我對這隊從墳墓中拖出來的殭屍 SUSY 模型感到非常震驚。”
其他選項
物理學家說，當研究人員試圖 concoct 一個理論，既能解釋 Muon g – 2 的結果，又能解釋 LHCb 的結果時，解釋 Muon g – 2 結果的任務變得更加困難。“極少數模型可以同時解釋兩者，”斯托金格說。特別是，解釋 Muon g – 2 和暗物質的超對稱性模型對 LHCb 無濟於事。
然而，仍然存在一些可以奇蹟般地同時符合兩者的解決方案。其中之一是輕夸克——一種假設的粒子，它可能具有將夸克轉化為 μ 子或電子（它們都是輕子的例子）的能力。輕夸克可以復活物理學家在 1970 年代為實現粒子物理學的“大統一”所做的嘗試，表明其三種基本力——強力、弱力和電磁力——都是同一種力的各個方面。
那個時代的大多數大統一方案都未能透過實驗測試，而倖存的輕夸克模型變得更加複雜——但它們仍然有自己的擁護者。“輕夸克可以解決另一個大謎團：為什麼不同粒子族的質量差異如此之大，”瑞士蘇黎世大學的理論家吉諾·伊西多里說。一個族由較輕的夸克（質子和中子的組成部分）和電子組成。另一個族有較重的夸克和 μ 子，第三個族有更重的對應物。
除了輕夸克之外，還有一個主要的競爭者可以調和 LHCb 和 Muon g – 2 的差異。它是一個名為 Z′ 玻色子的粒子，因為它與 Z 玻色子相似，Z 玻色子攜帶負責核衰變的“弱力”。英國劍橋大學的理論家本·阿蘭納克說，它也可以幫助解決三個族的謎團。“我們正在構建一些特徵非常自然地出現的模型，你可以理解這些層次結構，”他說。他補充說，輕夸克和 Z′ 玻色子都有一個優勢：LHC 尚未完全排除它們，但如果它們存在，該機器最終應該會看到它們。
LHC 目前正在進行升級，它將於 2022 年 4 月再次開始將質子撞擊在一起。即將到來的資料洪流可能會加強 μ 子異常現象，並可能提供長期尋求的新粒子的線索（儘管擬議的電子-正電子對撞機，主要用於研究希格斯玻色子，可能需要解決 LHC 的一些盲點，佩斯金說）。與此同時，從明年開始，Muon g – 2 將釋出進一步的測量結果。一旦更精確地瞭解 μ 子磁性和理論之間的差異大小，差異本身就可以排除一些解釋，並指向其他解釋。
除非差異消失，標準模型再次獲勝。本月報告的一項關於標準模型對 μ 子磁性的預測的新計算給出了一個更接近實驗結果的值。到目前為止，那些押注標準模型失敗的人總是輸，這使得物理學家很謹慎。“我們——也許——正處在一個新時代的開端，”斯托金格說。
本文經許可轉載，並於 2021 年 4 月 23 日首次發表。