μ子出现磁矩异常！或存在第五种自然力，若证实将引发物理革命

发布者：清源泉水 2023-12-11 03:33

据发表在《物理评论快报》的论文显示，美国能源部费米国家实验室的科学家们在实验过程中有了惊人的发现，据科学家在论文中介绍称，他们发现μ子的磁矩在强磁场中会发生进动或摇晃，就像旋转的陀螺会发生摇晃一样，这无法用粒子物理学中的“标准模型理论”来解释。科学家在论文中称这可能暗示了存在某种未知的第五种自然力。

其实，该论文中所提到的异常现象，前几年就被证实了。早在2001年，美国布鲁克黑文国家实验室就在实验过程中发现了μ子的磁矩数据有异常。通过改进试验设备，费米国家实验室再次进行了相关试验，2021年正式确认μ子反常磁矩测量的实验结果显示μ子的行为和标准模型理论预测不相符。这里所说的磁矩是描述粒子磁性的一个物理量。

μ子，是一种类似电子的亚原子粒子，带有一个单位负电荷，自旋为1/2，在基本粒子中与电子和τ子以及它们各自所对应的中微子和反粒子被归类为轻子。科学家至今未发现轻子具有任何内部结构。

历史上曾将μ子归类为介子，称为μ介子，不过现代粒子物理学已经摒弃了这一看法，将其归类为轻子。介子是日本科学家汤川秀树提出的概念，被证实后因此获得了1949年的诺贝尔物理学奖。介子的静态质量介于轻子和重子之间，是自旋为整数、重子数为零的强子，包括π介子，η介子和κ介子等。介子均不稳定，寿命极短，很快便会衰变为基本粒子。

μ子的质量大约是电子质量的200倍，由于两者性质相近，因此大家可以把μ子想象成一个“加重版”的电子。由于质量更大，μ子比相同能量的电子能够穿透更厚的物质，宇宙射线产生的μ子能够穿透厚达数百公里的大气层到达地表。μ子除了可以通过宇宙射线与大气的作用自然产生以外，就只能在高能粒子加速器中通过强子之间的核反应进行产生。

μ子虽然是一种与电子性质相似的基本粒子，但它却没有电子那么稳定，寿命仅2.2微秒。不过其与其他不稳定的亚原子粒子相比，寿命仍然算是比较长的，仅短于自由中子的881.5秒。

17世纪，牛顿发现了万有引力；19世纪，麦克斯韦统一了电和磁；进入20世纪后，科学家们对核物理与亚原子粒子进行了深入研究，又相继发现强核力和弱核力。至此，人类发现自然界中存在四种相互作用或者说四种基本力，分别是电磁相互作用强、强相互作用、弱相互作用和引力相互作用。其中，亚原子粒子的放射性衰变与弱核力有关，核子结合成原子核则与强核力有关。

20世纪50年代，杨-米尔斯理论将规范对称性推广到了基本粒子理论中，以此为基础，经过众多科学家的努力最终发展出了标准模型理论，该理论用一套框架将强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用统一。该理论认为，电磁力由光子进行传递，强力则由胶子进行传递，弱力则由W玻色子和Z玻色子进行传递，至于粒子的质量则通过希格斯机制获得。通过该理论可以准确预知粒子的行为，几乎所有的实验结果都符合该理论的预测。

最近几十年间，标准模型理论取得了非凡的成就，因该理论获得诺贝尔奖的科学家已有数十位。2013年，欧洲核子研究中心正式确认了1964年科学家理论预测的希格斯粒子的存在，使得标准模型更为完善。

根据标准模型理论的预测，在外界强磁场下，μ子的磁矩是一个非常接近但是不等于2的数，这被称作“g-2”。不过费米国家实验室的多次实验结果显示g-2的值与理论值存在差异。