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停滞100年的物理学,终于迎来全新的突破?第五种力要被发现了?
东方周末

μ子,作为标准模型中的一种基本粒子,属于电子家族的一员,是第二代电子它的质量约为电子的200多倍,而自旋和电荷等性质与电子颇为相似,可以说是一种“重电子”

μ子携带电荷且具有自旋特性,这使得其内部形成一个小型磁铁,从而具有磁矩。磁矩与自旋的角动量量子数存在着线性关系,它们的比值用字母g表示。

早在1935年,物理学家依据当时的量子力学理论计算出,电子和μ子的g因子均为2。然而,1948年的实验却发现,实际测得的g因子并非如此,而是2.00238。

这一微小的差异却具有重大意义,推动了量子力学的进一步发展,促使量子电动力学的诞生量子电动力学通过量子涨落的概念来解释这一现象


在真空中,能量与质量之间可以相互转化,能量能够转化为质量,产生一对正反粒子,这些粒子很快会湮灭并释放能量。
μ子周围也会不断地生成正反粒子对,这些虚粒子会与μ子产生短暂的相互作用,导致μ子的磁性增强,使得μ子的自旋磁矩与角动量的比例增加,最终致使g因子增大随着时间的推移,μ子g因子的测量工作不断推进。进入21世纪,这一领域取得了新的突破,实验精度不断提高。

2006年,美国布鲁克海文国家实验室对μ子的g值进行了测量。在考虑了量子涨落的影响后,理论上μ子的g值应当是某一特定数值,但实际测量的结果却与预期不符


这就引发了一个关键问题:在已经考虑了所有已知的量子涨落因素的情况下,为何理论与实验之间仍然存在细微的误差呢?为了解决这个问题,科学家们提出了两种可能性一种是实验本身存在缺陷,导致了系统不确定性;另一种是理论模型存在不足,引发了理论不确定性

如果误差源于系统不确定性,那么通过不断提高实验精度,有望使实验结果与理论预测趋于一致;倘若误差是由理论不确定性引起的,那么就需要对理论模型进行改进,以提高理论预测的准确性科学家们正在为此努力,期望能够找到问题的答案

2021年,美国费米国家实验室公布了最新的μ子g值测量结果,为2.00233184122(±……82),而对应的理论预测值为2.00233183620(±……86)。此次实验与理论的标准差为4.2西格玛。

虽然尚未达到5西格玛这一可能意味着全新发现的标准,但这一结果仍然为后续的研究提供了重要的线索和方向在粒子物理实验中,测量粒子质量时不可避免地会存在误差,只有通过大量重复测量,才能够获得更为精确的数据

时间来到2023年8月10日,美国费米实验室召开新闻发布会,宣布对2021年μ子g - 2值的测量结果进行了进一步强化,实验精度已提高一倍。后续的最新分析结果将在未来几年内公布。

一旦西格玛值超过5,将会被视为一项全新的发现,这或许涉及新粒子或新的作用力,甚至可能需要对现有的标准模型进行修正。这一研究充满了挑战和未知,而μ子g - 2的研究或许将为我们开启一扇通向新物理世界的大门

在μ子g - 2的研究中,提高实验精度是至关重要的。近年来,科学家们通过采用更先进的实验设备和技术,对实验过程进行更为精细的控制和调整,显著地提升了实验精度。

这种精度的提高不仅有助于减少误差,还为更深入地理解μ子g - 2的性质创造了条件。同时,实验精度的提升也为未来的研究奠定了坚实的基础,使得我们对μ子g - 2的认识能够不断深化和拓展。

在μ子g - 2的研究中,西格玛值是一个关键的衡量标准,它与新发现的判定紧密相关。在粒子物理学中,5西格玛被视为一个重要的阈值,意味着在大量的测量中,只有极小概率的测量结果会与理论不符。

如果测量结果超过5西格玛,那么就有可能意味着全新的发现,可能涉及新粒子或新的作用力。因此,西格玛值在μ子g - 2的研究中具有重要的意义,为我们判断实验结果的可靠性和是否存在新发现提供了明确的依据。

μ子g - 2的研究是一个充满挑战和机遇的领域,科学家们在不断探索中前行,期待着能够揭示更多关于微观世界的奥秘,为物理学的发展做出更大的贡献。

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