在尋找新物理學的過程中，基於大型原子對撞機內部高能碰撞的實驗屢屢失敗。因此，物理學家們正在把希望寄託在更精確的方法上：減少碰撞和抓取，更多地關注擺動的方式。下個月，美國的研究人員將啟動一項這樣的實驗。該實驗將對μ子（電子的重表親）在磁場中的行為進行超精確的測量。這可能會為全新粒子的存在提供證據。
這項在伊利諾伊州巴達維亞的費米國家實驗室進行的新實驗所尋找的粒子，是包圍並與所有形式的物質相互作用的虛擬湯的一部分。量子理論認為，短壽命的虛擬粒子不斷地“閃現”並消失。物理學家已經解釋了已知虛擬粒子（如光子和夸克）的影響。但是，虛擬湯可能含有神秘且尚未確定的成分。而μ子可能對它們特別敏感。
新的μ子g-2實驗將以前所未有的精度測量這種敏感性。這樣做，它將重新分析困擾物理學家十多年的μ子異常現象。如果實驗證實這種異常是真實的，那麼最可能的解釋是它是由現有物理學理論（標準模型）中沒有出現的虛擬粒子引起的。
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“這將不僅是超出標準模型的物理學的第一個直接證據，也是全新粒子的第一個直接證據，”德國德累斯頓工業大學的理論家、μ子g-2合作組織的成員多米尼克·施託金格（Dominik Stöckinger）說。
物理學家們正在呼喚標準模型的繼任者——一個在很大程度上取得了成功，但已知是不完整的理論，因為它無法解釋許多現象，例如暗物質的存在。位於瑞士日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室CERN的大型強子對撞機（LHC）的實驗，儘管表現超出預期並進行了數百次對標準模型之外的物理學的搜尋，但並未發現任何具體的缺陷。μ子異常是物理學家擁有的少數線索之一。
對μ子的磁矩（與粒子的固有磁性相關的基本特性）的測量可能掌握著關鍵，因為它受到與虛擬粒子相互作用的調整。當15年前在紐約布魯克海文國家實驗室最後一次測量時，μ子的磁矩大於理論預測。物理學家認為，與未知粒子的相互作用（可能是超對稱理論所設想的粒子）可能導致了這種異常。
其他可能的解釋是統計上的偶然性，或者是理論家的標準模型計算中的缺陷，該計算結合了已知粒子的複雜影響。但施託金格表示，這種情況的可能性越來越小，他說，新的計算方法和實驗交叉檢查使理論方面比15年前更加可靠。
“有了布魯克海文的這個誘人的結果，你真的需要做一個更好的實驗，”馬薩諸塞州波士頓大學的物理學家、μ子g-2實驗的聯合負責人李·羅伯茨（Lee Roberts）說。費米實驗室的裝置將使用布魯克海文實驗中使用的μ子數量的20倍，將不確定性縮小4倍。“如果我們得出了相同的結論，但誤差小得多，那將明確表明存在一些在其他地方都沒有觀察到的粒子，”他說。
為了探測μ子，費米實驗室的物理學家會將粒子注入到一個直徑約14米的環形磁場中。每個粒子都具有一種稱為自旋的磁性，這類似於地球繞其軸旋轉。當μ子以接近光速的速度在環中傳播時，它們的旋轉軸在磁場中會像不平衡的陀螺一樣擺動。將這種進動速率與磁場的測量相結合，就可以得出粒子的磁矩。
自從布魯克海文的結果公佈以來，一些關於異常的流行解釋（包括假設的暗光子的影響）似乎已被其他實驗排除，施託金格說。“但是，如果你看看超出標準模型的物理學的整個範圍，就會發現有很多可能性。”
儘管積極的結果不會明確指出新粒子究竟是什麼，但它將為其他實驗如何確定它們提供線索。施託金格說，如果保持相對較大的布魯克海文差異，它只能來自相對較輕的粒子，這些粒子應該在LHC的射程範圍內，即使它們的相互作用非常罕見，需要數年時間才能出現。
事實上，建立在先前發現基礎上的願望是如此強烈，以至於為了避免可能的偏差，費米實驗室的實驗人員將“盲”處理他們接收到的結果，並對結合在一起給出磁矩的兩個測量值分別應用不同的偏移量。只有在偏移量揭示後，才會有人知道他們是否獲得了隱藏在量子湯中的新粒子的證據。“在此之前，沒有人知道答案是什麼，”羅伯茨說。“這將是一個激動人心的時刻。”
本文經許可轉載，首次發表於2017年4月11日。