困扰物理学界超过50年的缈子(Muon)磁矩异常谜团,让科学家以为背后存在未知「第五大作用力」,经过10年精密分析才发现只是过去计算方式不够精准,缈子行为实际上符合标准模型。
渺子(Muon,也称μ子)质量比电子重约200倍,我们可以将渺子想成「比较重、寿命很短的电子」,在磁场中会像小磁铁一样晃动,因此它有一个重要物理量:「磁矩」(magneticmoment)。
根据狄拉克方程式预测,渺子磁矩(g因子)应接近等于2,然而1960~1970年代欧洲核子研究组织(CERN)、2000年代布鲁克黑文国家实验室、2020年代费米实验室以极高精度测出的渺子磁矩数值都与理论预测值不符,g数值总略大于2,称为g-2异常磁矩。
由于渺子够重,对量子效应特别敏感,其g−2值成为整个粒子物理学界最仔细盯梢数字之一,实验值与标准模型预言理论值相差甚多,都指向一种颠覆已知物理定律的全新相互作用——宇宙可能藏著第五基本作用力或未知神秘粒子暗中拉扯缈子。
但宾州州立大学团队过去便抱持不同意见。
该团队同样花10多年计算渺子异常磁矩,而最新计算方法使理论预测值与实验值一致性达到半个标准差,表明全新作用力根本不存在,强调现有物理学理论(标准模型、量子场论)仍极度准确。
为什么以往理论计算出错?问题在于计算过程牵涉到古怪的强作用力。强核力距离拉越开力量越强,拉到一定程度还会直接生出新粒子,所以很难以一般方程式直接精准计算。
为解决此困境,宾州州立大学团队采取格点量子色动力学(LatticeQCD)方法,将时空切分为极小方格,然后利用超级电脑一格一格、一步一步求解标准模型方程式,不像过去靠大量实验资料反推。
经过10多年努力,团队得出迄今为止最精准实验值(小数点后11位),与理论预测值完美吻合,长达50年的落差突然消失了。
新证据强烈支持标准模型,大幅限缩宇宙存在第五种力或未知粒子的希望,宾州州立大学物理学家ZoltanFodor说自己也有点难过——因为不存在新物理,但同时也感到欣慰,因为人类再次对标准模型、量子场论完成漂亮验证。
新论文发表在《自然》(Nature)期刊。

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