[비즈한국] 有一种奖项被称为诺贝尔奖的指标，那就是突破奖（Breakthrough Prize）。硅谷的经营者们向为科学发展做出贡献的科学家们颁发大额奖金和奖项。坊间传闻，一旦获得该奖，往往在几年内就能获得诺贝尔奖。
今年，该奖项授予了在强子对撞机中领导“缪子（muon）g-2”实验的物理学家们。金英基（Young-Kee Kim）教授担任荣誉所长的费米实验室也榜上有名。这确实是一个非常棒的消息。
在微小微观世界中发生的混乱，或许正是宇宙长期未解之谜——暗物质的意外线索。也许宏大宇宙中尚未解开的秘密，就隐藏在这些微小的微观世界中。每当我们跨越宇宙的尺度，都会在截然不同的维度邂逅陌生的新宇宙。那么，今年作为突破奖主角的“缪子g-2”实验，究竟蕴含着什么样的秘密呢？
希格斯玻色子被发现后，许多人曾认为：最重要的粒子难道不是都已经找到了吗？标准模型非常契合，实验也越来越精密，却再也没能看到新的粒子。难道粒子物理学的“大发现时代”已经结束了吗？然而，2021年，一颗极小的粒子再次让全球物理学家感到兴奋。这个粒子的名字就是缪子。
缪子可以被看作是电子的“重亲戚”。它与电子的电荷相同、自旋相同，多种性质也非常相似。但关键在于，它比电子重得多，大约是电子的200倍。而且它非常不稳定。缪子并非永恒存在的粒子，它大约只存在百万分之一秒，随后就会衰变成其他粒子。
缪子在宇宙中也会自然产生。当被称为宇宙线的高能粒子撞击地球大气层时，这一过程中就会产生缪子。此时此刻，在地球大气层中也有无数缪子产生又消失。只是因为寿命太短，它们转瞬即逝。乍一看，它似乎是可有可无的粒子。那么，为什么科学家们对这种转瞬即逝的粒子如此执着呢？这是因为缪子是对宇宙空旷空间极其敏感的粒子。
我们通常认为的空旷空间是“什么都没有”的空间。然而，从量子力学的角度看，真空绝非空无一物。真空就像看不见的“量子汤”。在其中，粒子和反粒子会在极短的瞬间产生并消失。电子和正电子可以短暂地出现又消失，光子可以出现又消失，更复杂的情况是，夸克和反夸克对也会瞬间产生并消失。缪子在穿过这片“量子汤”时会受到其影响。虽然电子也会受到影响，但由于缪子比电子重得多，因此更加敏感。所以，缪子就像是一个探测器，能告诉我们看不见的“汤”里到底加入了什么材料。
电子或缪子等粒子具有一种称为“自旋”的量子力学特性。自旋并不意味着粒子真的像陀螺一样在旋转，但它能产生类似微小旋转的效果。带电粒子如果具有自旋，该粒子就会像一根小磁铁一样运动，即拥有磁矩。简单来说，缪子就是一个小磁铁。因此，如果把它放入强磁场中，这个小磁铁的方向就会晃动。观察陀螺转动时，会发现陀螺的轴并非垂直站立，而是缓慢地晃动，这被称为“进动”。缪子在磁场中也会以类似方式晃动。表示这种程度的值就是“g”。
根据1930年代的狄拉克理论，电子或缪子等自旋为1/2的粒子的g值应该准确地等于2。当时的理论在不假设复杂内部结构的情况下，将带电和带自旋的基本粒子的磁性质预测为“2”这个简洁的数字。然而，宇宙总是超出我们的期待。1948年，科学家们极其精确地测量了电子的g值。结果并不是精确的2，而是约2.00238，比2大了一点点。差异仅为0.1%左右，但在物理学中，这是不能当作误差处理的差异。于是，量子电动力学登场了。
根据量子电动力学，电子并非孤立存在。电子周围的真空被瞬间产生又消失的粒子云所包围。电子附近的电场非常强，其能量可以在短时间内产生粒子与反粒子对。电子-正电子对产生又消失，光子被释放又被吸收。在亚原子世界，电子或缪子周围的空间看起来就像闪烁着萤火虫的森林。粒子短暂出现又消失，这些瞬时的存在会极其微小地改变原粒子的磁性质。所以g并不是精确的2，而是比2大了一点点。
科学家们将这个小小的超额部分称为“反常磁矩”（anomalous magnetic moment）。公式通常写作a=(g-2)/2，即从g中减去2后再除以2。缪子g-2的名称也源于此。g值偏离2的程度，揭示了缪子如何与周围的量子真空相互作用。而在那个量子真空中，包含了标准模型中所有粒子的效应。光子、电子、正电子、W玻色子、Z玻色子、夸克，甚至胶子，都会产生微小的贡献。
布鲁克海文国家实验室在1990年代和2000年代初期极其精确地测量了缪子的g-2值。结果与标准模型的计算几乎完美吻合，几乎所有位数都对上了。但在极末端，即小数点后第八位或第九位附近出现了差异。从日常视角看，这是小得离谱的差异。可以比作预测地球周长时出现了10~30厘米的偏差。但在粒子物理学中，这种差异也不容忽视。
费米实验室的实验重新使用了布鲁克海文使用的巨大磁存储环。这是一个直径达50英尺（约15米）的巨型圆形装置。为了将原本位于长岛布鲁克海文国家实验室的该设备转移到伊利诺伊州巴达维亚的费米实验室，研究人员并没有选择走直线陆路，因为设备实在太大且敏感。因此，设备经过海路和河路运输，最后装上大型卡车才运抵费米实验室。
费米实验室制造出高能缪子，并将这些缪子射入带有强磁场的圆形环内。缪子在环内高速旋转时，会因磁场而发生晃动。这种晃动的频率，即进动速度，正是告诉我们缪子磁矩的关键。然而，缪子寿命不长，约百万分之一秒后就会衰变。在那短短的时间里，它可以在环内旋转数百圈，但最终还是会衰变成电子或正电子等。实验装置周围的探测器测量这些衰变产生的粒子的能量和方向，通过这些信息反推原本缪子的晃动方式。
该实验必须达到极高的精度。磁场稍微不同不行，探测器的时间测量稍有抖动也不行。缪子束的形状、电场校正、垂直方向振动，甚至系统误差都必须严加控制。因此，费米实验室的缪子g-2实验采用了“盲分析”方式进行。
2021年费米实验室公布的首次结果与布鲁克海文的结果吻合得很好。费米实验室和布鲁克海文两处的结果，与当时标准模型的代表性理论值相比，均存在4.2个标准差（sigma）的差异！虽然还未达到公认新发现的5个标准差，但这无疑是不可忽视的偏差。无法解决的鸿沟意味着什么呢？
这里出现了一个另一个有趣的概念，即“轻夸克”（leptoquark）。通常，轻子（lepton）和夸克（quark）被认为是不同种类的粒子。电子和缪子是轻子，是不受强核力影响的基本粒子。夸克则是构成质子和中子的基本粒子。而轻夸克是一种同时具备两者性质的假想粒子。曾经让粒子与波动区分变得无意义的量子革命，如今正试图在标准模型内打破轻子和夸克的界限。在这片宇宙之外还隐藏着多少怪异的存在？这令人不寒而栗。如果这种假想粒子真的存在，它可能会在衰变过程中对电子和缪子“厚此薄彼”。
在标准模型中，有一个原则叫“轻子普适性”。即认为电子、缪子、陶子的质量虽然不同，但基本的相互作用方式应该是一样的。因此，除特殊的质量效应外，某个过程走向电子对的比例和走向缪子对的比例应该相同。然而，分析强子对撞机LHCb的数据结果却出乎意料地失衡。走向缪子的衰变比电子少。比例并非1比1，而是走向缪子的衰变仅为0.8左右。
如果这是事实，意味着宇宙不知为何对电子和缪子采取了不同的对待方式。它可能更偏爱电子，更倾向于产生电子。但这在现有的标准模型内很难理解。因此甚至出现了这是由于超越现有四种基本作用力的“第五种力”所导致的解释。
科学界已经知道标准模型并不完美。标准模型无法解释暗物质，也无法解释为什么宇宙中物质丰富而反物质却几乎消失。希格斯玻色子为何如此轻盈，至今也是一个深奥的谜题。在高能状态下，力是如何统一的也尚未完全知晓。因此，物理学家们认为新的物理定律一定存在于某处。只是不知道它会在何处、以何种方式显露出来。缪子g-2实验，正是为探索这种可能性打开了一扇门。
参考
https://muon-g-2.fnal.gov/
关于作者池雄培（Ji Woong-bae）：热爱猫咪与宇宙。童年时期看到《银河铁道999》后，便萌生了传播宇宙之美的梦想。目前担任世宗大学自由专业学部教授，同时进行演讲和写作等多样化的科学传播活动。著有《每天一片宇宙》、《星光璀璨的宇宙科学家们》、《无法前往但可知晓》、《看到宇宙会浮现出的奇怪问题》等书籍，并翻译了《给真正宇宙旅行者的指南》、《我是如何杀掉冥王星的》、《量子人生》、《Cosmigraphics》等作品。