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物理學

緲子搖晃藏玄機

2022-01-01 卡芮娜(Marcela Carena)
測量緲子搖晃的實驗結果與理論計算不相符, 這意味了自然界或許存在著 重力、電磁力、強力、弱力之外的新型交互作用。

重點提要

  1. 2001年,美國布魯克海文國家實驗室首度宣佈緲子的自旋與理論預測有差異,但累積的數據並不多。
  2. 費米國家加速器實驗室在將近20年後重新展開緲子g-2實驗,再度證實此項差異,這顯示粒子物理學的標準模型需要修正。
  3. 緲子g-2實驗揭露一些奇特現象,新粒子與新交互作用或許可以解釋緲子的搖晃,也能解決諸如暗物質等謎題。

▲緲子轉圈圈:
在緲子g-2實驗中,帶正電的緲子繞著這個直徑約15公尺的磁鐵環轉動,外加磁場會讓其自旋進動,緲子因而搖晃。


多年以前,有一次我在離開歐洲核子研究組織(CERN)的物理實驗室之後,坐上高速鐵路火車穿越瑞士與德國的邊界,從車廂窗戶往外看,我被飛逝而過的景色迷住了:一對青年男女相擁於無人的月台、一位老人站在少了一個輪子的生鏽推車旁邊、兩個女孩在蘆葦叢生的池塘中涉水前進。每個景象都只是幾格閃爍的畫面,一閃而過,但是已經足以讓我想像怎麼填補一個故事。


我剛剛寫完一篇關於緲子(muon,這種基本粒子類似電子,但比電子還重)的理論論文,正有待粒子物理界同儕嚴格審查。當我從車廂窗戶往外看時所產生的一些感想,與正從事的研究之間存在著某種對稱。我的研究就是關於一些看不到的「虛粒子」(virtual particle)對於緲子的閃爍效應,目的是利用這些交互作用所帶來的線索,去拼湊出這個量子宇宙的完整圖像。做為一個科學生涯剛起步的年輕理論家,我已經聽說有人提議用實驗測量緲子的細微搖晃來收集這種線索。我才剛剛在CERN待了幾個月,研究一個點子:緲子的搖晃可能和主宰宇宙以及其他謎題的暗物質有關。我的思緒快轉,這麼想著:「太棒了,現在只要等實驗來理出頭緒。」但萬萬沒想到要等上1/4世紀!


終於在2021年4月,我在服務的研究機構美國芝加哥市附近的費米國家加速器實驗室(以下簡稱費米實驗室)觀看一場網路直播;這間實驗室的科學家在直播中報告了「緲子g-2實驗」(g-2即是g減2)的發現。全球有數千人在觀看,想要知道物理定律是否很快就要改寫。費米實驗室的這項實驗計畫是為了要證實2001年的實驗結果;當年那項實驗發現了一些緲子搖晃效應的誘人跡象,那正是我所期待的。那項實驗產生的數據不足以確認這些跡象,但是現在緲子g-2實驗的發言人波利(Chris Polly)就要揭示大家等待已久的第一輪實驗結果。我興奮地看著他展示一堆新證據,它們符合先前的實驗結果,兩者都意味著現今的理論無法說明緲子的行為。有了這兩項實驗的結果,我們已經快要跨越物理學家對於「新發現」所設定的嚴格統計門檻。


到底什麼是搖晃效應?讓我和其他物理學家那麼著迷?它所涉及的是,緲子在穿越磁場時如何自旋(spin)。根據奇怪的量子力學法則,在真空中創生又湮滅的虛粒子可以影響緲子自旋方向的變化。如果於我們所知的粒子之外,宇宙中還存在著其他粒子,它們也會以虛粒子的形式影響實驗中緲子的自旋,而這可能就如我們所看到的。費米實驗室的這項實驗與先前實驗所測量的緲子自旋的搖晃,比我們用目前(僅基於已知粒子)的理論所做的預測來得強。如果未來的實驗能夠支持這項差異,那麼這將會是從近期發現的新粒子「希格斯玻色子」(Higgs boson)以來,粒子物理學最大的突破。我們所觀察到緲子自旋搖晃的效應,可能有助於揭露暗物質的身分、甚至發現全新的自然作用力。


▲勞師動眾:
從美國布魯克海文實驗室把緲子g-2實驗的環運送到費米實驗室,需要一艘駁船與特製卡車。


簡單又優美的數學結構


我對物理學的熱愛緣起於幼年之時、在阿根廷彭巴草原上,我在成長之地以驚異的心情看著深邃黝黑天空中的銀河。現在我也感受到同樣的驚奇。我身為粒子物理學家,研究工作就是探究宇宙是什麼構成的?是如何運作的?是如何開始的?


科學家相信存在著一個結構:一個奠基於大自然的對稱性、簡單又優美的數學結構;這結構能夠描述微觀基本粒子如何透過電磁力、弱力與強力彼此相互影響。科學家無趣地稱這個結構為「標準模型」(standard model),但它不折不扣是個粒子物理學的奇蹟。遙遠的星星和我們的身體,都是由相同的三種基本物質粒子所組成的:電子、上夸克與下夸克;後兩者構成質子與中子。星光是星星很熱的表面所釋出的光子,是由帶電的質子與電子之間的電磁力所導致的。這些星星(包括我們的太陽)的熱源是源自於強力和弱力的作用;強力作用於質子與中子之間以產生核融合,弱力作用於夸克以及電子、把質子轉變成中子與正子,而控制了核融合過程的第一步。(自然界的第四種作用力「重力」不是標準模型的一部份,把重力和其他三種作用力整合起來是物理學家的主要目標。)


物理學家投注了數十年心力,一點一滴拼湊出標準模型。我們可以在全球各地的粒子加速器中,產生並觀察到一切標準模型數學結構所要求的粒子。近期發現的希格斯玻色子,是於幾乎十年前在CERN的大強子對撞機(LHC)中產生。但是我們知道標準模型不完備,例如它無法解釋宇宙內85%的物質,也就是能讓星系(例如我們的銀河)兜在一起的暗物質。標準模型也無法說明,何以在宇宙歷史早期某個階段,物質會比反物質更多,讓人類得以存在。而現在費米實驗室的緲子g-2實驗可能顯示,無論標準模型的功績如何輝煌,它只是描述了一個更為豐富的次原子世界的一部份而已。


宇宙射線穿越地球大氣時會大量產生這項實驗的主角「緲子」:每分鐘有超過一萬個緲子穿透我們的身體。這種粒子和大家熟悉的電子有相同的物理性質,但是緲子大約比電子重200倍。這額外的質量讓緲子更適合用於在高精密度實驗室中探查新現象,原因是任何異常的行為將更為醒目。在費米實驗室,一個直徑約15公尺的強力磁鐵環內,有著在受控條件下產生的緲子。實驗學家讓粒子加速器中的質子束撞上一個成份主要是鎳的靶來產生緲子:這個碰撞過程產生了π介子,不穩定的π介子會透過弱交互作用而衰變成微中子與緲子,然後緲子進入一個內部空無一物的真空環。


緲子和電子一樣,帶有電荷以及一種稱為自旋的性質,自旋讓緲子表現得像是個小磁鐵。依據緲子產生的方式,當帶負電的緲子進入真空環時,自旋方向會與運動方向相同(平行),但是對於帶正電的緲子(用於費米實驗室的這項實驗)而言,自旋的方向會與運動方向相反(反平行)。如果在真空環內施加磁場,這個外加磁場會讓帶電荷的緲子以近乎光速繞著真空環轉動,同時也會讓緲子的自旋平滑地進動(precess),就像陀螺儀那樣。所以緲子在繞著真空環轉動時會稍微搖晃。


緲子自旋進動的速率取決於緲子內在磁矩的大小,具體而言,這速率會和一個稱為g的因子成正比。根據標準模型的方程式,如果緲子不搖晃,g因子的值會等於2。如果真是如此,緲子自旋的方向會永遠和運動方向相同,g-2就會等於0,而科學家將無法測量到緲子的搖晃。只要不考慮真空的性質,上述這種狀況就應該出現。


但是量子物理告訴我們,空無一物的真空是宇宙中最神秘的東西。這是因為真空中有虛粒子,這種粒子的壽命很短,卻能夠產生非常真實的物理效應。我們所知所有標準模型的粒子,都能夠轉變成虛粒子,原因出自於測不準原理(uncertainty principle)。這項原理是量子物理的一部份,它限制了科學家所做測量時的精密度。所以一個粒子的能量,在很短時間內可能有很大的不準度,以致於粒子從真空中創生出來。這個量子世界令人難以置信的原理,在粒子物理實驗中扮演了關鍵角色;事實上,希格斯玻色子就是因為出現於LHC的虛粒子效應才發現的。


虛粒子和費米實驗室真空環內的緲子會有交互作用,而改變g的值。你可以把虛粒子想成是緲子釋出後又很快吸收的暫時夥伴。所以科學家知道g值不會剛好等於2,使得緲子在真空環中繞圈時會有些搖晃。不過如果標準模型還不完備,那麼其他尚未發現的粒子可能會以虛粒子的形式改變g值,在這種狀況下,g值無法僅以標準模型去預測。


緲子本身不是穩定的粒子,但是就緲子g-2實驗來說,它們的壽命已經足夠長,使得物理學家能夠測量出緲子的自旋方向。物理學家採用的辦法是監視電子(緲子衰變所產生的粒子之一),或者是監視正子(positron,帶正電的反緲子衰變所產生的)。透過測定電子(或正子)的能量與抵達時間,科學家可以推論出緲子的自旋方向。一個由約200位科學家組成的研究團隊(他們來自七個國家的35所大學與實驗室),發展了測量緲子g-2的新技術,並達到前所未有的精準度......


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