加载中…“μ介子g-2”实验暗示在量子泡沫内部一个秘密正在冒泡
(2023-08-12 11:12:31)
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在量子泡沫内部可能潜伏着未知粒子。、
HARD SCIENCE — AUGUST 10, 2023
Don Lincoln
一个以黑和白捕捉的漩涡波。Inspired / Adobe Stock
关键要点
科学家们已经观测到了μ介子磁属性的理论预测和测量之间的差异。
由于不同相互作用的力，计算μ介子的磁属性是复杂的。
已经使用了不同的计算方法，但分歧仍然存在。
坚持的差异可能表明当前理论中的间隙，发信在量子泡沫中未知粒子的存在，以及我们的量子力学理解中的一个潜在转变。
显示μ介子g-2的图。Credit: Fermilab
半个多世纪以来，研究人员已经研究了一种叫一个μ介子的短暂的亚原子粒子的磁属性。最近的这一属性的一个测量是所有科学中最准确的测量之一。然而，当科学家将他们的经验结果与一种理论预测比较时两者不一致。如果这种差异被证实，可能需要物理学家来重写他们的描述自然的法则的理论。有许多赌注。
量子泡沫
μ介子基本上是熟悉的电子的一个更重表亲。用量子力学的法则，有可能来预测这些种类粒子的磁场强度。在这些计算中，磁场的强度被一个叫“g”的无量纲数描述，并且预测了对电子和μ介子g = 2。但在第二次世界大战结束后不久，科学家精确测量了电子的g，发现了它约0.1%（即g≈2.002）更高。一个μ介子的测量给出了相同的结果。看似微不足道的差异不是任何如此的东西，它导致了研究人员来开发一种改进的量子力学形式，叫量子电动力学（QED）。
量子电动力学包含所有传统量子力学的奇特等等。量子电动力学的一个新特征是它预测空的空间毕竟不是空的。相反，在量子水平上，空间是一个复杂和繁忙的地方，有亚原子粒子几乎瞬间的出现和消失。这种现象有时叫量子泡沫。
量子泡沫是μ介子的磁属性中小变化的原因。因为μ介子有电荷，它对量子泡沫的粒子施加一个力，一些粒子被拉的更近，而另一些则被轻微排斥。在泡沫中粒子的分布的这种改变是对0.1%差异负责的。因为研究人员感兴趣于研究量子泡沫而不是μ介子的更基本特征，有时研究这种现象的科学家减掉g的传统值。结果被称为“g-2”（“g 减去 2”）。数量g-2特别的集中在难以捉摸和短暂的量子泡沫上。
g-2和计数
有几种可能的解释：（1）测量是错误的;（2）预测是错误的;（3）它们都是对的------但有一些未知的现象正在发生没有被纳入接受的理论。如果是这种情况，这个差异发信一个发现。
为了验证那个测量正确的，研究人员将他们的设备从布鲁克海文转移到费米国家加速器实验室（Fermilab）来从它的更强大的加速器受益。在可考虑的来改进器具的努力后，费米实验室的研究人员记录了几年的数据，他们的结果------现在刚刚发布------与那些来自布鲁克海文的一致：一个μ介子的g-2值是0.00233184110±0.00000000047。
有问题的预测
如果实验测量看起来是可靠的，关于理论预测是什么呢？这里情况是更复杂的。量子电动力学至少能在原则上靠μ介子磁属性预测量子泡沫的影响。麻烦是计算是极端挑战性的。泡沫中的一些粒子特别的经由电磁相互作用，这是可以计算的，其它泡沫粒子体验所谓的强力（负责将原子核把持在一起），这是远更难来计算的。
为简单事情，物理学家用来自更早期实验测量来取代理论计算的困难部分。然而，其他研究人员采取了一种不同的方法，用蛮力计算机能力来计算强力对μ介子磁属性的影响，一种叫“晶格量子色动地学（L-QCD）”的方法。基于晶格的计算与用实验输入的早期理论方法不一致，也与g-2的各种直接测量不一致，尽管有一个降小的差异。
鉴于理论界中的不一致，一个协调来解决这个问题的努力正在进行中，一些人追求用测量代替困难的计算的技术，另一些人完善晶格计算。那些用精细的计算和更大、更强大的计算机的。预计解决这些理论问题将需要几年来完成。
这是否意味着新的物理学？
如果理论界达成一个共识但预测仍然与测量不一致会是什么？研究人员将被迫得出结论，目前的理论正在缺失一个重要片。如果这是真的，一种可能性是在量子泡沫中有我们目前不知道的粒子------一个真正令人兴奋的前景。
因此，下一步是什么？理论家将继续完善他们的计算，而实验者将继续收集和分析更多的数据。（费米实验室努力的目标是将测量不确定性降低到那些布鲁克海文小组近二十年前报告的四分之一）。当然，其他物理学家正期待测量和预测之间的差异将坚持。这些科学家正在削他们的铅笔和挠他们的头，试图弄清楚如何重写现有的理论。
https://bigthink.com/hard-science/muon-g-2-new-physics/
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