反常磁矩裏的反常

μ子反常磁矩是一個很值得關注的前沿物理領域,倘若它果真成為“新物理”的敲門磚,那麼這個讓物理學家尷尬的粒子就會成為粒子物理學中厥功至偉的明星。

(本文首發於2021年7月1日《南方週末》)

μ介子反常磁矩儲存環的俯視圖。μ介子在環中以將近光速順時針運行大約500圈以後會產生衰變。μ介子反常磁矩實驗將通過測量μ介子衰變的產物(電子)來獲得μ介子的磁性。

2021年4月7日,一則科技新聞吸引了很多人的眼球:美國費米實驗室的物理學家們完成了對一個名叫μ子的基本粒子的反常磁矩的新測量,以極高的精度確認了一種反常——一種已困擾物理學家們多年的,出現在μ子反常磁矩裏的反常。

本文將介紹這種反常磁矩裏的反常——先從μ子本身聊起。

尷尬的粒子

μ子是一個在很多時候、很多方面讓物理學家們尷尬的粒子。

這尷尬首先出現在“身份”認定上。

1936年,當美國加州理工學院的物理學家卡爾·安德森和他的研究生賽斯·內德邁爾首次發現μ子時,物理學家們一度以為它是前一年(即1935年)由日本物理學家湯川秀樹提出——或者説預言——過的,在質子和中子之間傳遞相互作用的粒子。但後續研究很快推翻了這一“身份”認定,因為μ子雖跟湯川秀樹預言的粒子在質量上有些相近,卻並不傳遞質子和中子之間的相互作用,從而不可能是那種粒子——事實上,後者如今稱為π介子,於1947年才被發現。

那麼μ子到底是一種什麼粒子呢?人們逐漸發現,它在幾乎所有方面都很像電子,只不過質量比電子質量大了兩個數量級,彷彿是一個“大號”的電子。這種“大號”的電子對於在規律層面上追求簡單性的物理學家來説,是又一種尷尬——一種物理性質方面的尷尬,因為它似乎展示了一種不必要的複雜性。20世紀40年代後期,當這種尷尬越來越凸顯時,哥倫比亞大學的美國物理學家伊西多·拉比曾問過一個很著名——著名到後人談μ子時幾乎言必稱之——的問題:“誰讓它來的?”

是啊,既已有電子,大自然為何還要弄出個μ子來呢?

如今,距離μ子的發現已有大半個世紀,拉比的問題依然沒有答案,μ子也依然讓物理學家們尷尬。

甚至,兩者都在一定程度上有所擴大:首先是,除μ子外,物理學家們於1975年又發現了一個更“大號”的電子。這個粒子被稱為τ子,它也在幾乎所有方面都很像電子,質量卻比電子質量大了三個數量級——比μ子質量還大一個數量級。拉比的問題當然也可以針對τ子問上一遍。其次是,μ子在一個細節問題上帶來了一種新的尷尬,讓物理學家們迄今最好的基本粒子理論——所謂的標準模型——陷入了某種困境。

因為基於標準模型的理論計算與實驗測量之間出現了偏差。

這個細節問題就是我們開篇提到——並且是本文所要介紹——的反常磁矩裏的反常。

反常磁矩

為了介

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