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                            时间:2021-04-17 09:22:33 :伊拉克议会选举萨德尔阵营领先美伊关系或生变 | 浏览量:77831

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                              反常的缪子:新物理是否到来?

                              中国新闻周刊记者/霍思伊

                              发于2021.4.19总第992期《中国新闻周刊》

                              这是一场跨越5000多公里的漫长又小心翼翼的旅行——6月24日,从纽约长岛出发,先是沿着美国东海岸向南到达佛罗里达的顶角,然后进入墨西哥湾,这就花了一个月,然后沿着田纳西-汤比格比水路向上进入密西西比河,伊利诺伊河和德斯普兰斯河,在7月20日到达伊利诺伊州的港口。一辆经过特殊改造过的卡车已经等候在码头,7月26日凌晨4时7分,在美国费米国家加速器实验室门前的草坪上,3000人举起了手,欢迎“它”的到来。

                              它是一个重700吨、宽约15米的巨大超导磁环,在2013年夏天,以“尽可能保持精度”的独特方式从纽约的布鲁克海文国家实验室运输到费米。经过一连串复杂的调试后,这套设备于2018年开始正式运行。费米特有的强大加速器源源不断地为磁环注入一种特殊的粒子——缪子(μ子),就像电子一样,它在磁环中进行着一种近似地球围绕太阳的运动,既自转又公转,不过自转的方向不断偏离,直到衰变出一个电子——而它,有可能成为解码人类和宇宙奥秘的钥匙,并暗示着“新物理”的到来。

                              2021年4月7日,费米国家加速器实验室(简称费米实验室)宣布,缪子反常磁矩实验的一期数据分析显示,缪子在绕磁环运动时有一个较大的摇摆幅度,和标准模型计算出的预测情况不符。

                              这引发了物理学界的震荡。在4月7日的发布会上,费米实验室缪子反常磁矩实验的负责人克里斯·波莉说,发生这种偏差一定是出了什么问题,可能有一些隐藏的东西在发挥作用。它们是什么?可能是一种新粒子或第五种作用力,也可能缪子内部还有更深入的结构。

                              这些猜测全部令人非常兴奋,因为它们都指向了一种超出标准模型之外的新物理。

                              极小的偏差

                              标准模型是人类目前能找到的最精确的对微观世界的解释,是整个粒子物理学的根基,描述了构建宇宙的基本粒子和相互作用。科学家认为,世界是由17种基本粒子构成,缪子是其中一种。它是电子的表亲,质量是电子的207倍,可以简单理解成“更胖的电子”,除此以外其他性质都相同:都带一个单位电荷(正或负),自旋为1/2,也就是转两圈后,会回到初始状态。

                              1936年,物理学家在宇宙射线中发现了缪子的存在。当太阳抛射出来的高能质子进入地球时,与外层大气发生碰撞,产生了缪子,它以光速冲向地面,穿透力很强,可以深入2700米的岩层之下。

                              从发现以来,缪子一直有一些无法解释的奇怪现象,比如磁矩的偏差。缪子会像陀螺一样自转,在这个过程中自身会产生磁场,磁矩就反映磁场的量度。理论物理学家认为,无论电子还是缪子,将磁矩进行某种固定的除法运算后会得到一个常数比值,也就是g因子,按照标准模型,g应该是2.00231930436……可以一直精确到小数点后11位,但实验中发现,缪子的g因子总会和理论预测值产生一定偏差,g-2反映的就是这个偏差。这种磁矩上出现的反常,就是缪子反常磁矩问题。

                              这种偏差其实很微小,要一直读到小数点后七位才会发现,但在微观粒子世界,任何预测之外极小的变化背后,都可能隐藏着足以震荡整个物理学界的发现。缪子磁矩反常之所以如此重要,是因为一旦确认,就足以打破久经检验的标准模型。粒子物理学在20世纪70年代建立了集大成的标准模型理论之后,此后任何发现都没有超出这个模型。无论是通过大型强子对撞机(LHC)等加速器,还是在一些用于寻找暗物质的探测实验中,所有模型之外的探索都失败了。

                              但物理学家们相信,标准模型远远不是完美的,在模型之外,一定存在着另一个更广大的、未知的世界。标准模型属于量子场论,只囊括了三种基本作用力:电磁力、强相互作用力与弱相互作用力,但没有描述到让苹果掉到牛顿头上的引力。而在量子力学诞生之前,人们理解这个世界的核心就是引力。另一方面,标准模型也无法解释暗物质的存在。我们看到的每一件事物都是与光发生了相互作用,但这些物质的能量只占宇宙中总能量的4%,更广袤的宇宙是黑暗的,由暗物质组成,它们既不吸收光,也不发射光,人类目前还没有发现任何一个暗物质粒子。

                              为了解释这些现象,物理学家试图开拓“新物理”的疆域,寻找标准模型之外的物理。有一些迹象表明了新物理的存在,其中一个是1998年发现的中微子振荡,另一种就是缪子的磁矩反常。

                              在研究缪子的过程中,一开始,人们并不觉得是理论出了问题,而认为是计算不够精确,比如,没有考虑到量子涨落。上海交通大学粒子物理教授李亮是此次实验的核心参与人员之一。他对《中国新闻周刊》解释,真空不是空的,时空像泡沫一样,有大量的虚拟粒子存在,它们会在某个瞬间突然出现,又突然消失,因为难以捕捉,所以是虚的,这就是量子涨落,这又会对缪子的磁场产生干扰。基于此,实验人员对计算进行了修正,最开始是一阶修正,只考虑光子的干扰,此后还有二阶修正、三阶修正,也就是排除更多粒子的干扰,如W、Z玻色子,希格斯玻色子等。

                              但科学家们很快发现,即使排除了这些干扰,实验测出的缪子磁矩仍然存在反常。从1930年代起,不同的实验结果相继印证了这种反常,但受限于精度问题,人们对自己的发现并不自信,直到美国布鲁克海文国家实验室在2006年相对明确地提出了这个现象。而费米实验室的发现在布鲁克海文的基础上更进一步,不仅提高了测量精度,一期数据的分析结果也将结论的“有效性”提高到了4.2σ,这是在统计学上的意义,也就是4.2倍标准方差。

                              李亮指出,这是一个非常有力的证据,4.2σ,就是出现统计误差的概率只有四万分之一,换句话说,这个发现有99.99%的概率是正确的。但科学界更严谨,按规定,只有标准方差达到5σ,才称得上是一个“发现”,也就是保证实验只有350万分之一的概率出错。但目前这只是一期结果,分析的是2018年的运行数据,还有2019、2020年的二期、三期数据,其数据量将会是一期的7倍,最快将于一年后公布。“我有充分的信心,之后两期的数据分析出来后,会有很大的概率达到5σ,这意味着,不是由于计算问题,也不是由于测量精度不够,在进行各种高阶修正之后,缪子的磁矩和标准模型的预测值仍存在一点点偏差。”他说。

                              新物理是否到来?

                              在费米实验室,跨越了5100多公里的巨型超导铁磁环在撤去了专为运输设计的红白金属罩后,露出了里面的蓝色超导线圈。这些线圈可以产生1.45特斯拉的磁场,约为地球磁场的30000倍。实验室的超强质子加速器以平均每秒11.4次的频率将10~12个质子组成的质子束团不断加速、衰变生成3.094GeV能量的缪子束团。缪子束团被射入铁磁环后,开始以接近光速的速率一圈又一圈地运动,在绕了几千圈后,每个缪子会衰变出一个电子,这些电子被探测器检测出来。实验人员通过提取电子的信息,可以得到衰变前缪子的磁矩。在这个过程中,缪子像一个自身不停旋转的陀螺,自转轴不断偏离最初的方向。陀螺歪了。

                              这是一个非常优美而简洁的实验,也是一个很经典的实验原理。从1960年代起,不同实验室在测量缪子反常磁矩时都是采取这个方案。李亮指出,费米实验室在进行实验时,实验原理与布鲁克海文相同,但在精度上作了很大改进。费米实验室可以输出美国强度最大的缪子源,其缪子束流强度是布鲁克海文实验的10倍,最终的数据量会达到布鲁克海文的20倍。而且,之所以采用已有的磁环,是因为在这个实验中,磁场的均匀非常关键。如果再造一个新的,其均匀程度不会像已经使用过的电磁环这么完善,还要花大量时间重新校准。

                              李亮还表示,探测器的灵敏度尤为重要,费米实验的探测器是全新的,采用了一种会发光的氟化铅晶体,它的生产线就在中国,由中科院上海硅酸盐研究所和上海交大联合研发。一方面,氟化铅晶体的响应时间非常快,可以在短时间内做多次测量,其次是精度很高,且可以更好地减少对磁场的干扰。

                              多年来,测量精度不够高,一直是物理学界对自己的发现不自信的主要原因之一。由测量带来的误差包含统计误差和系统误差两种,布鲁克海文实验的系统误差是0.28ppm(千万分之二点八),费米实验室通过改进硬件和技术,将这个误差降低到了0.16ppm,这是一个很大的跃迁。而在统计误差上,布鲁克海文是0.46ppm, 费米是0.43ppm。

                              在如此高精度的背景下,得出了一个非常有希望的发现以后,现在,人们要思考的是,陀螺为什么歪了?

                              在李亮看来,目前学界有两种主要的猜测。一种是出现了标准模型之外的新的基本粒子。对此很容易理解,因为当缪子在电磁环中没有按照预定轨迹运动时,一定有一个外界力量干扰,这可能是一些人类现在还无法观测到的全新粒子,由于和这些粒子发生了相互作用,使缪子的轨迹出现了偏差。所以接下来就要回答,这个新粒子从哪来的?它有什么性质?它和标准模型基本粒子的关系是什么?

                              第二种可能性是,缪子不再是不可分的点粒子,内部还有微观结构,这些内部粒子可能在一定条件下发生相互作用,从而在整体上影响了缪子的磁矩。

                              中科院院士、中科院高能物理所所长王贻芳对《中国新闻周刊》指出,现在谈这些还为时尚早,首先,费米实验最后的4.2σ是在综合了布鲁克海文实验的数据后得出的。如果单看费米一个实验的结果,得出的标准方差是 3.3σ, 比布鲁克海文当年的数据3.7σ还要小,目前还不确定之后的结果会让这个数字变得更大,还是更小了。在过去的粒子物理历史中有很多例子,原本的统计数字是3点多,后来却下降了。即使到了5,也要检验这个数字是否足够精确。

                              王贻芳还表示,除了这种不确定性以外,也无法排除是否可能理论计算出现了误差,才造成目前的结果。而且,理论计算在相当大的程度上也利用了一些此前已有的实验数据,实验数据本身也需要再检查。

                              在这个实验中,最关键的环节是把实验数据和理论计算数据进行对比,理论计算是依据标准模型来预测,但由于缪子的不稳定性,在计算时有较大的不确定性,在1968年就发生过类似的事情。当时,欧洲核子中心的实验物理学家得出一个和理论计算存在1.7σ差距的结果,后来发现出现偏差是理论计算出了问题,修复错误后,理论和实验结果吻合得很好。2016年,来自全球82个机构的132名顶级理论物理学家组成了联盟,分成不同组独立进行计算,最终达成共识,理论预测出来的g是2.0023318362。费米实验室的测量结果就是和这个数字进行比较。

                              李亮指出,在缪子和周围虚粒子发生作用而带来的各种变化中,计算不确定性的一个主要因素是强子真空极化效应,虽然这只有很小的概率发生。当缪子在传播时,可能会瞬间发射出一个光子,光子会衰变成强子和反强子,强子和反强子又迅速变回光子,然后再被缪子重新吸收。这个过程被称为强子真空极化。这个现象很难进入标准模型的计算中,因为强子不是孤立出现,数量很多,像粒子云一样,这中间发生的各种作用很难准确预测。

                              但如果经过检验之后,最后证明这个反常确实存在,王贻芳说:“这将是我们第一次非常明确地看到超出标准模型的实验现象。”

                              不过,上海交通大学粒子与核物理研究所副所长刘江来也对《中国新闻周刊》强调,即使真的可能存在新粒子,这种新粒子到底是什么,按现有的各种模型会有非常多的可能,比如超对称模型,暗物质模型等,物理学界要先确定哪一种模型更接近真实,有一个方向后,再通过对撞机去寻找新粒子。

                              “费米实验只给出了间接证据,确定新粒子或第五种作用力,要有更直接的观测证据。这不会是一个很快的过程,可能还要走很远。但毫无疑问,这会让新物理向前推进一大步,也会拓宽原本的标准模型,接下来,理论物理学家们会很兴奋。”刘江来说道。

                              《中国新闻周刊》2021年第14期

                              声明:刊用《中国新闻周刊》稿件务经书面授权

                            【编辑:陈海峰】
                              来武汉的17天,终于有了自己的办公室,汪洋队长与医护团队在这里讨论治疗方案、统计数据,核查CT及X线结果,事无巨细,只为更好。

                              按照陈一新的说法,3月6日武汉新增确诊病例,首次降为2位数,进入了低位运行期,具有标志性意义,昭示着武汉保卫战进入了决战决胜新阶段。

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                              截至3月10日24时,全省累计报告新冠肺炎确诊病例1353例,累计出院1282例,累计死亡8例。10日当天全省无新增确诊病例。新增出院12例。有疑似病例1例。有297名密切接触者正在接受医学观察。  记者驳静是此次三联疫情报道小组中的一员,她从原本的后方报道选择进入一线,先后发表了《武汉急诊一线医生口述:惟愿冬天早点过去》《有家难回:新冠肺炎制造的“北漂”》《周洋家寻医记》以及获得广泛传播的《现场|“围城”方舱:另一个世界》。  一张照片,两个凡人,武汉的落日余晖包容着大地。相信大部分人都会深有感触,危难时刻,人与人之间的这种肝胆相照和彼此理解真好!如果问何为“英雄主义”,我想,身处此次战疫行动中的每一个人,都会有自己的答案。  对于侯淅珉,高广滨说:侯淅珉同志政治素质好,党性观念强,善于从讲政治的高度思考工作、处理问题,在思想上政治上行动上始终同以习近平同志为核心的党中央保持高度一致;工作思路清晰,重点突出,组织协调能力强,领导经验丰富,工作有魄力,推动工作力度大;经过中央国家机关和省直、地市多岗位锻炼,视野开阔,善于学习钻研,创新意识比较强;勤勉敬业,敢于担当,事业心责任感强,性格沉稳、待人谦和,公道正派、朴实低调,团结同志,要求自己严格。

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