第242話:新的物理學要出現了嗎?(Muon g-2實驗結果發佈)

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2021-04-08
|閱讀時間 ‧ 約 7 分鐘

科學中的王者,人類科技文明的基石「物理學」,又出現裂縫了嗎?
左:看不懂?沒關係,先來本「貓耳少女的量子論」壓壓驚。(來源:竹內薰、松野時緒/PHP研究所);右:有萌系就要有腐系!擬人化的美少年Muon(來源:ParticleBoys 素粒子男子/ジー・ミックス)
從昨天開始,物理的社群裡面一陣騷動,一則關於「Muon g-2」的新聞一直洗版。因為昨天(2021/04/07)美國費米國家加速器實驗室(Fermi National Acceleration Laboratory)發佈了新聞,從對「渺子」(m粒子,唸做 muon)這種基本粒子的磁性測定,與「幾乎已經一統江湖的物理理論:標準模型」,有顯著的誤差。
標準模型統合了強交互作用、弱交互作用、電磁交互作用、量子力學、電磁學與狹義相對論成一個理論,就差「廣義相對論」(重力還沒納入),基本上對於重力以外的三種基本交互作用有關的現象來說,都可以解釋得很好。這次的實驗結果表示有兩種可能:
1. 有未知的新基本粒子
2. 有未知的新交互作用
不管是哪一邊,都可能對「我們對宇宙的認識」產生很大的影響。
這個實驗量的是一個叫做「g-factor」的物理量,這是什麼碗糕呢?我們都有學過「電流的磁效應」:用導線繞成一個線圈,通上電流後,會產生磁場,線圈的行為會跟一個磁鐵一樣,也就是我們所熟知的「電磁鐵」。線圈裡面的電流是什麼呢?其實是電子這種帶電粒子在跑,所以我們如果把其他東西拿掉,放個電子在那邊繞圈圈,其實也會有電流以及所衍生的磁場。電子繞圈圈時,會有個「軌道角動量」,質量越大、繞的速度越快,角動量就會越大,所以我們也可以說,「帶電粒子的軌道角動量會產生磁場」,而且兩者成正比。
再來,如果有一顆球,裡面有帶電荷,然後這顆球在自轉,由於球身上的電荷也會跟著轉,就又有環形電流產生,於是也會讓這顆球帶有磁性,變成像磁鐵一樣。球自轉時也會有角動量,稱為「自旋角動量」,所以我們可以說「帶電的球自轉時的自旋角動量,會讓這顆球產生磁性」,兩者也是成正比。
接著,量子力學來了,有些基本粒子不知道為什麼,都帶有「自旋角動量」,這其實很奇怪,因為基本粒子是點粒子,一個點是沒辦法用上一段「一顆球在自轉,所以身上帶的電荷就會有環形電流」來理解,因為一個點就算有在轉,也不會變成一個環…不過總之,從一堆實驗結果顯示,基本粒子就是帶有自旋角動量以及隨之而來的磁性,我們也拿它們沒輒。
這個 g-factor,就是在描述基本粒子自旋角動量與磁性大小之間的關係,而且每個粒子的 g-factor 有點不太一樣(這理論超複雜的就不說了),測量的方式是量它的「異常磁矩」(anomalous magnetic moment,這也超複雜的所以也不說了),對於渺子來說,標準模型的理論值是:
2.00233183620(86)
而這次費米實驗室所得到的實驗值是
2.00233184122(82)
你可能會說:「靠北這不是超級接近,根本沒差嘛!」確實,前面八個數字,從整數到小數點以下第七位都一模一樣,真的是超級接近。不過重點是最後面的括號,代表數值的誤差範圍,兩個都是兩位數,表示誤差發生在最後兩位數,不準度的大小就是括號裡面的數字,也就是說理論值是在2.00233183534 到 2.00233183706 之間,而實驗值是在2.00233184040 到 2.00233184204 之間。
兩者沒有交集!

標準模型理論(綠色)與這次的實驗(紫色)的「異常磁矩」乘上10億後,減掉 1165900 後的值,色帶的寬度為誤差範圍。由此可知,理論跟實驗有明顯的差距,不能以誤差來解釋。(來源:Fermilab)
事實上差距是 4.2 個標準差,「理論其實與實驗相符,數值的差異來自各種統計誤差」這個解釋發生的機率是 40,000 分之一。也就是說,統計上賭「標準模型有問題」的勝率是 39,999/40,000。
這不是第一次得到這個結果,早在 20 年前另一個布魯克海文國家實驗室就做出類似的數值,不過想要說「標準模型有問題」,需要更多的數據,這次費米實驗室其實是從3200英里外的布魯克海文把一個直徑15公尺的環形超導磁鐵搬過去重新組合、校正後,再度進行了這個實驗,確認與20年前的實驗吻合。

2013年,費米實驗室盛大歡迎長途跋涉了 3200 英里而來的Muon-G2的超導磁鐵(來源:Fermilab)
從這個數據,大家也可以看到物理學實驗的精確度實在是非常驚人,而新的物理學,是否就藏在這個微小的細節差異中呢?
答案是不一定。在費米實驗室發表這個重大結果的同一天,匈牙利布達佩斯的Eötvös 大學、法國馬賽的 Aix Marseille 大學以及德國的 Wuppertal 大學組成的理論團隊(暱稱為「BMW」團)在「Nature」上面發表了以超級電腦模擬所得的新的計算結果,g-factor是 2.00233183908,與過去的理論值不同,但是就跟布魯克海文以及費米實驗室所得的實驗值在誤差範圍內了,也就是大家都還跳不出標準模型的手掌心!
給已經頭昏腦脹的讀者的貼心小總結:渺子的 g-factor 先有從標準模型算出來的理論值,然後布魯克海文實驗室的實驗值與這個理論值不合,費米實驗室剛出爐的實驗值站在布魯克海文這邊,意味著標準模型可能有問題,然後「BMW團」殺出一個新的理論值,跟實驗值是吻合的,也就是過去的理論值可能算得不夠準。
到底最後的答案是什麼呢?物理學課本會被改寫嗎?看樣子還得再等等!
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費米實驗室新聞稿(2021/04/07):https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/
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