μ子出現(xiàn)磁矩異常！或存在第五種自然力，若證實(shí)將引發(fā)物理革命

據(jù)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的論文顯示，美國(guó)能源部費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中有了驚人的發(fā)現(xiàn)，據(jù)科學(xué)家在論文中介紹稱，他們發(fā)現(xiàn)μ子的磁矩在強(qiáng)磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生進(jìn)動(dòng)或搖晃，就像旋轉(zhuǎn)的陀螺會(huì)發(fā)生搖晃一樣，這無(wú)法用粒子物理學(xué)中的“標(biāo)準(zhǔn)模型理論”來(lái)解釋�？茖W(xué)家在論文中稱這可能暗示了存在某種未知的第五種自然力。

其實(shí)，該論文中所提到的異常現(xiàn)象，前幾年就被證實(shí)了。早在2001年，美國(guó)布魯克黑文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了μ子的磁矩?cái)?shù)據(jù)有異常。通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備，費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室再次進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，2021年正式確認(rèn)μ子反常磁矩測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示μ子的行為和標(biāo)準(zhǔn)模型理論預(yù)測(cè)不相符。這里所說(shuō)的磁矩是描述粒子磁性的一個(gè)物理量。

μ子，是一種類似電子的亞原子粒子，帶有一個(gè)單位負(fù)電荷，自旋為1/2，在基本粒子中與電子和τ子以及它們各自所對(duì)應(yīng)的中微子和反粒子被歸類為輕子�？茖W(xué)家至今未發(fā)現(xiàn)輕子具有任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

歷史上曾將μ子歸類為介子，稱為μ介子，不過(guò)現(xiàn)代粒子物理學(xué)已經(jīng)摒棄了這一看法，將其歸類為輕子。介子是日本科學(xué)家湯川秀樹(shù)提出的概念，被證實(shí)后因此獲得了1949年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。介子的靜態(tài)質(zhì)量介于輕子和重子之間，是自旋為整數(shù)、重子數(shù)為零的強(qiáng)子，包括π介子，η介子和κ介子等。介子均不穩(wěn)定，壽命極短，很快便會(huì)衰變?yōu)榛�本粒子�?/p>

μ子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的200倍，由于兩者性質(zhì)相近，因此大家可以把μ子想象成一個(gè)“加重版”的電子。由于質(zhì)量更大，μ子比相同能量的電子能夠穿透更厚的物質(zhì)，宇宙射線產(chǎn)生的μ子能夠穿透厚達(dá)數(shù)百公里的大氣層到達(dá)地表。μ子除了可以通過(guò)宇宙射線與大氣的作用自然產(chǎn)生以外，就只能在高能粒子加速器中通過(guò)強(qiáng)子之間的核反應(yīng)進(jìn)行產(chǎn)生。

μ子雖然是一種與電子性質(zhì)相似的基本粒子，但它卻沒(méi)有電子那么穩(wěn)定，壽命僅2.2微秒。不過(guò)其與其他不穩(wěn)定的亞原子粒子相比，壽命仍然算是比較長(zhǎng)的，僅短于自由中子的881.5秒。

17世紀(jì)，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力；19世紀(jì)，麥克斯韋統(tǒng)一了電和磁；進(jìn)入20世紀(jì)后，科學(xué)家們對(duì)核物理與亞原子粒子進(jìn)行了深入研究，又相繼發(fā)現(xiàn)強(qiáng)核力和弱核力。至此，人類發(fā)現(xiàn)自然界中存在四種相互作用或者說(shuō)四種基本力，分別是電磁相互作用強(qiáng)、強(qiáng)相互作用、弱相互作用和引力相互作用。其中，亞原子粒子的放射性衰變與弱核力有關(guān)，核子結(jié)合成原子核則與強(qiáng)核力有關(guān)。

20世紀(jì)50年代，楊-米爾斯理論將規(guī)范對(duì)稱性推廣到了基本粒子理論中，以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)眾多科學(xué)家的努力最終發(fā)展出了標(biāo)準(zhǔn)模型理論，該理論用一套框架將強(qiáng)相互作用、弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一。該理論認(rèn)為，電磁力由光子進(jìn)行傳遞，強(qiáng)力則由膠子進(jìn)行傳遞，弱力則由W玻色子和Z玻色子進(jìn)行傳遞，至于粒子的質(zhì)量則通過(guò)希格斯機(jī)制獲得。通過(guò)該理論可以準(zhǔn)確預(yù)知粒子的行為，幾乎所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都符合該理論的預(yù)測(cè)。

最近幾十年間，標(biāo)準(zhǔn)模型理論取得了非凡的成就，因該理論獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家已有數(shù)十位。2013年，歐洲核子研究中心正式確認(rèn)了1964年科學(xué)家理論預(yù)測(cè)的希格斯粒子的存在，使得標(biāo)準(zhǔn)模型更為完善。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的預(yù)測(cè)，在外界強(qiáng)磁場(chǎng)下，μ子的磁矩是一個(gè)非常接近但是不等于2的數(shù)，這被稱作“g-2”。不過(guò)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示g-2的值與理論值存在差異。

若實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有問(wèn)題，那為什么μ子的磁矩在強(qiáng)磁場(chǎng)下會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)測(cè)不符呢？這很有可能意味著μ子異常磁矩的背后，還有一種全新的相互作用即第五種自然力未被發(fā)現(xiàn)，但這還有待更多精密的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證�？茖W(xué)家還表示，引發(fā)μ子磁矩異常的也可能是其它東西，比如新粒子、新維度、新的時(shí)空特征等。

每種自然力都涉及諸多物理現(xiàn)象�？茖W(xué)家表示，如果真的存在第五種自然力，將再次引發(fā)物理學(xué)革命，人類科技或?qū)⒁虼嗽俅纬霈F(xiàn)飛躍。

對(duì)于μ子磁矩異�，F(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們并不感到意外。其實(shí)，科學(xué)家很早便知道標(biāo)準(zhǔn)模型并不完善，無(wú)法成為大統(tǒng)一理論，因?yàn)樗�并沒(méi)有描述到愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論描述為時(shí)空彎曲的引力，也沒(méi)有描述到在宇宙中占比比普通物質(zhì)更多的暗物質(zhì)。