μ子实验结果让物理学一片混乱。 与基础理论相悖的反常实验结果迫使物理学家踏上了寻找新理论解释的艰难道路。
大型强子对撞机的底夸克实验探测器。正是它发现了μ子的反常现象。μ子g-2实验小组宣布了有关μ子磁性的发现，这项发现令科学家们大惑不解
物理学家现在应该很是兴奋。2021年4月，一项实验显示，一种叫作“μ子”（缪子、渺子）的基本粒子具有很强的磁性。至少从表面上看，这个令科学界大呼意外的结果意味着现有基本粒子理论并不完备。如果实验与理论之间的这种差异得到证实，那将是现有理论自50年前问世以来首次无法解释实验结果——而物理学家最爱的事莫过于证明某种理论错误。
4月7日，在伊利诺伊州芝加哥附近工作的μ子g-2实验小组对外宣布了这个反常的实验结果。不过，这一结果并未指向具有革命意义的新理论，它给科学界带来的是一个谜。物理学家目前掌握的所有基本粒子理论都很难解释这个实验结果。另外，其实早在今年3月2日，一项对撞机实验还报告了μ子的另一种反常现象，这更是令物理学家们面对的任务艰巨起来。总而言之，物理学研究者现在必须让理论物理学理论来上三个180° 大转弯，才可能找到合理的解释。
僵尸模型
以超对称理论为例。目前物理学界的主流研究范式就是所谓的粒子物理学标准模型，且许多物理学家一度认为超对称理论是这一模型最有前途的理论扩展。超对称理论有很多变体形式，但总的来说，它们都假设标准模型中的每个粒子都有一种尚未被发现且质量更大的对应粒子，称为“超伴子”（超对称粒子）。超伴子可能就是在μ子周围空旷空间中不断产生又湮灭（这种量子效应可能有助于解释为什么这种粒子的磁场要比科学家预期的更强）的“虚粒子”之一。
如果事实果真如此，那么这些超伴子就能一次解决两大谜团：μ子磁性问题和暗物质问题。所谓暗物质，就是一些看不见的物质，目前看来，正是它们通过自身引力束缚住了各个星系。
很多证据都表明，暗物质的组成可能是一类质量数百倍于质子的超伴子。这一观点直到十年前才受到有力挑战。许多科学家原本都期待着位于瑞士日内瓦外的大型强子对撞机能够通过撞击大量生产这些新粒子，但到目前为止，他们还一无所获。大型强子对撞机目前已经得到的数据表明，如果超伴子真的存在，那么它们的正常质量至少是质子的1 000倍（这个下限还有可能更高，具体是多少取决于超伴子的类型，以及各大超对称理论的偏好）。
“很多人现在都觉得，超对称理论差不多已经完了。”德国德累斯顿理工大学理论物理学家、μ子g-2实验小组成员多米尼克 · 史多金格（Dominik St?ckinger）说。不过，他本人仍旧把超对称理论视作这些反常实验结果的可能解释方案之一。“和其他理论放在一起比较，超对称理论也没那么糟糕。”史多金格说。
他还表示，有一种解释既可以让μ子g-2实验结果与超对称性相谐，又能为暗物质提供证据。那就是，大型强子对撞机的对撞实验中可能出现了不止一种超伴子，而是两种，且它们的质量大致相当——比如，一种是质子的550倍，另一种是质子的500倍。对撞会产生质量稍大的那种超伴子。这种粒子随后又会迅速衰变成两种粒子：一种是质量稍轻一些的超伴子，另一种则是符合标准模型的普通粒子，后者带走了两种超伴子之间50个质子质量左右的质量差。
只要这种普通粒子足够大，大到能够带走两种超伴子之间的质量差，那么大型强子对撞机的探测器就完全有可能发现这类衰变。不过，质量很轻的粒子可以在不被探测器发现的前提下逃逸。“这是大型强子对撞机的一个盲点，我们很早之前就很清楚。”加利福尼亚门洛帕克美国国家加速器实验室理论物理学家迈克尔 · 佩斯金（Michael Peskin）说。
不过，这种解释也还有问题没有解决：根据这种包含两种质量相似超伴子的模型，宇宙中的暗物质含量应该远比天文学家现在观测到的高。因此，佩斯金解释说，即便这种模型正确，也还需要补充一种能够削减理论预言暗物质含量的机制。这无疑会增加理论的复杂性。为了让现有超对称理论符合观测结果，其所有组成部分“只能是这样”。
与此同时，物理学家还发现了更多μ子异常现象的线索。大型强子对撞机的一项实验，底夸克实验，发现了一些初步证据证明，B介子（一种比μ子更重的粒子）的分裂产物中，μ子的出现频率要显著小于电子。然而，根据标准模型，除了质量之外——μ子的质量比电子大207倍——μ子和电子应该在各个方面都完全一致。因此，B介子分裂产生的电子和μ子应该大致相当才对。
大型强子对撞机底夸克实验发现的μ子异常现象遭遇的困境与最近发现的μ子磁性异常现象相同：出现了各种或许可行的解释，但它们都“勉勉强强”。巴黎-萨克雷大学物理学家亚当 · 法尔科夫斯基（Adam Falkowski）说：“看到大家把一个个超对称理论僵尸模型从坟墓里拖出来，我很是震惊。”
其他选项
物理学家表示，他们现在要构建的理论既要解释μ子g-2实验的所有发现，又要解释大型强子对撞机的实验结果。于是，这个任务就变得越发艰巨起来。“极少有模型能够同时解释这两个方面。”史多金格说。特别需要指出的是，能够解释μ子g-2实验和暗物质的超对称模型对解释大型强子对撞机的底夸克实验完全无能为力。
尽管如此，还是有一些方案或许可以奇迹般地同时解决这两方面的问题。其一就是轻子夸克。轻子夸克是一种假想粒子，它能将夸克转变成μ子或电子（μ子和电子都是轻子）。早在20世纪70年代，就有物理学家尝试令粒子物理学“大统一”，也即尝试证明三种基本力——强相互作用力、弱相互作用力和电磁力——是同一种力的不同方面。轻子夸克理论有望复兴这种尝试。
20世纪70年代的大部分大统一理论都没能通过实验的检验，存活下来的轻子夸克理论则变得相当复杂，但仍然拥有不少支持者。“轻子夸克理论可以解决另一大谜团：为什么不同粒子族的粒子质量差异这么大。”瑞士苏黎世大学理论物理学家基诺 · 伊斯多利（Gino Isidori）说。一种粒子族的粒子由质量较轻的夸克（质子和中子的组成部分）和电子构成。另一种粒子族的粒子由质量较重的夸克和μ子构成。还有一种粒子族的粒子则由质量更重的基本粒子构成。
除了轻子夸克理论之外，有望同时解决大型强子对撞机底夸克实验和μ子g-2实验反常结果的另一重要候选方案，是一种叫作“Z’玻色子”的粒子。之所以叫这个名字，是因为这种粒子与Z玻色子相似，后者携带着与核衰变有关的“弱相互作用力”。英国剑桥大学理论物理学家本 · 阿拉纳赫（Ben Allanach）说，Z’玻色子同样有助于解决三种粒子族粒子质量差异之谜。“我们现在构建的模型会很自然地推导出某些特征，你能轻松认识到这三族粒子之间的差异。”他说。阿拉纳赫还补充说，轻子夸克理论和Z’玻色子理论有一个共同的优点：大型强子对撞机的实验结果还没有彻底排除它们成立的可能，但这部机器最终一定会告诉我们，这两种理论究竟是否成立。
大型强子对撞机目前正处于设备升级阶段，等到2022年4月，它将重新启动。届时，大量数据的出现可能会更加突显μ子反常现象，同时也可能为我们长期以来一直在寻找的新粒子提供线索。（不过，佩斯金表示，要想做到这点，需要调整一部尚处计划阶段且原本旨在研究希格斯玻色子的电子-正电子对撞器，以使其能够解决大型强子对撞机的部分盲点问题。）与此同时，明年开始的新一轮μ子g-2实验将会为物理学家提供更多实验结果。一旦我们更准确地掌握了这些数据，有关μ子磁性的实验结果与理论预言之间的差异程度本身就能排除或支持某些解释。
除非，在新一轮规模更大、精确度更高的实验中，这种差异消失了。那就证明标准模型再度胜出。实际上，在今年4月的一份报告中，标准模型对μ子磁性的最新理论计算结果已经与实验结果大为接近。到目前为止，无一例外，那些反对标准模型的人最终全部失败了，这令物理学家们很是谨慎。“我们——或许——正处于新时代的起点。”史多金格说。
资料来源 Nature