研究:渺子擺動異常 或有助揭示新的自然力

【2023年09月01日訊】(記者林達編譯報導)費米國家加速器實驗室的物理學家發現了更多證據,證明亞原子粒子的行為異常。這可能是新的第五種自然力的證據,也可能暗示了一個新的未知時空維度的存在。總之,這是一個謎團,解開這個謎團,或引發下一次物理學革命。

目前,已知的自然力有四種:引力、電磁力、強核力和弱核力。這四種力幫助我們解釋宇宙是如何運作的。但仍然有一些我們不明白的宇宙奇跡——第五種自然力的發現可能有助於解決這些謎團。

渺子的異常擺動

2021年,物理學家在費米實驗室進行「渺子g-2」實驗時注意到,一種被稱為「渺子」(muon)的亞原子粒子的擺動(wobble)程度超出了預期。

布魯克海文國家實驗室的科學家們於2001年目睹了類似現象,但這種不尋常的行為二十多年來一直無法解釋,讓物理學家深感困惑。

渺子類似於電子(圍繞原子核旋轉的微小粒子),但質量是電子的200倍;因此,它們得了個綽號「胖電子」。

這些胖電子可以像X射線一樣穿透物體,被用來幫助科學家發現埃及大金字塔中的一個隱藏房間,並幫人們一窺火山的內部結構。

大金字塔的內部結構(左)及兩個入口(右)的示意圖。渺子在此內部結構的實驗中起到關鍵作用。(公有領域)

現在,它們可能會幫助物理學家發現第五種自然力。

費米實驗室在8月10日的一份聲明中表示:「像電子一樣,渺子也有一個微小的內部磁鐵,在磁場存在的情況下,它會像陀螺的軸一樣進動或擺動。」

為了研究這些渺子,物理學家將其發射到超導磁圓環中,並測量其以接近光速運行數千周的行為。

物理學家觀察到,渺子的擺動程度遠遠超過粒子物理學標準模型的計算。粒子物理學標準模型是物理學家在過去50年里用來解釋和理解亞原子領域的數學模型。

第五自然力

如果標準模型的方程式無法解釋渺子的異常擺動,物理學家將被迫尋找其它解釋。

一種可能的解釋是,此行為是由第五種自然力決定的。據《生命科學》(Live Science)網站報導,其它可能的解釋則是一種新型的奇特粒子的存在、或一個新的維度或一個尚不為人知的時空特性。

費米實驗室高級物理學家布倫丹·凱西(Brendan Casey)在實驗室的新聞稿中表示:「我們確實正在探索一個新領域。我們正在以前所未有的精度確定渺子的磁矩。」

科學家目前有兩種方法可以使用標準模型來描述渺子的擺動,不過它們提供了相互矛盾的結果。

科學家希望解決差異的一個方法是進行更精確的測量。這也是為什麼費米實驗室物理學家這次收集的數據是2021年的四倍,讓實驗不確定性降低兩倍。

費米實驗室「渺子g-2」實驗的聯合發言人格拉齊亞諾·韋南佐尼(Graziano Venanzoni)表示,「當我們完成對最後三年數據的分析後,預計精度會再提高兩倍。」

如果結果揭示了第五種自然力,它可能有助於解釋一些科學上最大的問題,包括:暗物質是由什麼構成的?什麼是暗能量?為什麼宇宙中的物質遠多於反物質?

科學家們意識到,可能必須超出標準模型的範圍才能回答這些問題。渺子擺動這樣的謎團是下一次物理學革命的誘因。◇#

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