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重大科学突破:科学家发现第五种力存在证据

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一罐思念 2021-04-17 04:49
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据英国广播公司网站4月7日报道,从在冰箱门上贴磁贴到把篮球投进篮筐,在我们生活中的每一时刻,物理学力量都在发挥作用。我们每天体验到的所有力量都可归为四类:引力、电磁力、强核力和弱核力。四种基本力支配着宇宙中所有物体和粒子相互作用的方式。例如,引力使物体掉落到地上,沉重的物体落地时犹如被粘在地板上一样。

现在,物理学家说,他们发现了可能存在第五种自然力的迹象。这一发现来自芝加哥附近一个实验室所开展的研究。

英国科技设备委员会称,这一研究结果“为一种未被发现的亚原子粒子或新力的存在提供了有力证据”。

但还不能将这项μ子g-2实验的结果等同于决定性的发现。目前,该实验结果实为统计误差的概率为4万分之一。而要宣称这是一项科学发现,观测结果为巧合的概率需达到350万分之一。

进行这项实验的英国团队负责人马克·兰卡斯特教授对英国广播公司新闻台记者说:“我们发现,μ子的相互作用方式与标准模型(即目前公认的解释宇宙基本组成单元的行为方式的理论)不一致。”

这位来自英国曼彻斯特大学的研究人员还说:“显然,这令人非常兴奋,因为这可能预示着一个由新的物理学定律、新粒子和一种我们迄今从未见过的新力构成的未来。”

报道称,该发现是美国、日本和位于瑞士和法国边境的大型强子对撞机最近进行的粒子物理学实验所取得的一连串喜人结果中的最新一个。

未参与这项最新研究的英国剑桥大学教授本·阿拉纳克说:“我的直觉告诉我,这一发现将是真的。我在整个职业生涯中一直在寻找我们已知范畴外的力和粒子,现在终于找到了。这是我一直在等待的时刻,我要睡不好觉了,因为我太兴奋了。”

这项实验在位于美国伊利诺伊州巴达维亚的国立费米加速器实验室进行。在实验中,科学家通过研究被称为μ子的亚原子粒子的行为来寻找物理学新现象存在的迹象。

开启科研竞赛

报道指出,我们这个世界的组成单元有的甚至比原子还要小。在这些亚原子粒子中,有些由更小的成分构成,而另一些则无法被分解成任何其他成分(因而被称为基本粒子)。

μ子正是这些基本粒子之一;它类似于电子,但质量是电子的200多倍。

μ子g-2实验的内容是,沿一条14米长的环形结构发送这些粒子,然后施加磁场。根据标准模型中所包含的现行物理学定律,这样做应该会使μ子以某个速度摇晃。

事与愿违的是,科学家发现μ子的摇晃速度比预期的要快。这可能是由一种对科学界而言全新的自然力造成的。

到目前为止,还没有人明确知道,除了会对μ子产生影响外,这种潜在的新力还有什么作用。

理论物理学家们认为,它还可能与某种尚未被发现的亚原子粒子相关。围绕这种有待证实的粒子的真面目,存在不止一种看法。有一种理论认为它是轻子夸克,另一种理论则将这种粒子称为Z玻色子。

上个月,参与大型强子对撞机实验的物理学家介绍了可能证明新粒子和新力存在的实验结果。英国帝国理工学院的米特什·帕特尔博士参与了该项目,他说:“为了争取让其中某项实验真正获得证明这确实是新东西的证据,现在竞赛真正打响了。这需要收集更多数据和进行更多测量,如果顺利的话,就能证明这些作用是真实的。”

阿拉纳克教授在他的理论模型中为可能存在的第五种力起了不同的名字,包括“味力”、“第三家族超力”和最平淡无奇的“B-L2”。

引力和电磁力是人们较为熟悉的基本力,除这两种力外,还有强核力和弱核力,它们支配亚原子粒子的行为。第五种基本力或许有助于解释近几十年一直让科学家感到迷惑的一些关于宇宙的重大难题。

例如,宇宙加速扩张这一观测结果被归因于一种被称为暗能量的神秘现象。但一些研究人员此前表示,这可能是存在第五种力的证据。

英国广播公司“夜晚的天空”节目的联合主持人玛吉·阿德林-波科克博士对英国广播公司新闻台记者说:“这很让人吃惊。它有可能彻底颠覆物理学。我们有许多仍未得到解答的谜团。而这一发现可能为我们提供解开这些谜团的关键答案。”

引发高度关切

另据英国《新科学家》周刊网站4月7日报道,μ子的奇怪行为暗示存在神秘的新粒子和新力。

一种被称为μ子的基本粒子的奇怪行为可能暗示了,在物理学标准模型之外,存在奇异的粒子和力。科学家之前曾捕捉到这种异常现象的征兆,但一组新的测量结果增加了这种假设属实的可能性。

报道介绍,μ子是带电粒子,因此当它们被放置在磁场中时,便会开始旋转。由于存在一种名为“旋进”的现象,物理学家可以测量这种旋转的频率。“旋进”指的是,粒子的自转轴会轻微晃动,从而形成所谓的“摇摆区域”。

暴露在磁场中的μ子的旋转频率是由它与其他粒子和力的相互作用决定的,这些粒子和力由一个名为g因子的数字来代表。利用粒子物理学的标准模型,研究人员能够极其精确地预测这个数字应该是多少。

但是在2006年,美国布鲁克黑文国家实验室的实验结果开始偏离这些理论预测结果——μ子的旋转速度略快于它们该有的速度。从统计学角度看,这些结果并未显著到足以证明标准模型是错误的,但它们成为引发关切的原因。

现在,位于伊利诺伊州的美国国立费米加速器实验室做了一组新实验,证实先前的实验结果有理由引发关切。布鲁克黑文国家实验室的威廉·莫尔斯说:“我们可能在布鲁克黑文国家实验室出了差错,实验装置要精密得多的费米实验室可能会得到不一样的答案——实际上却没有。”

报道称,这种异常现象很可能源于一种量子力学现象:虚拟粒子。它们是由某个粒子和它的反物质粒子组成的粒子对。由于量子波动,反物质粒子会突然出现,并在瞬息之间消失。尽管它们存在的时间很短,但它们可以影响真实存在的粒子——比如μ子——的行为。

由于这些虚拟粒子对是随机的,且来自时空本身,它们可以是任何类型的粒子。有些粒子可能是我们已经知道的,例如电子和它的反物质粒子——正电子,但有些粒子可能是某种更为奇异的东西。英国利物浦大学的乔·普赖斯是费米实验室研究团队的一员。他说:“突然出现和消失的不只有已知的粒子,还有尚未被发现的粒子。”

不过,科学家用来预测μ子的g因子的模型只将已知虚拟粒子预计会产生的效果考虑在内。因此,如果实验结果与这些模型冲突,那就表明,在标准模型之外可能存在其他粒子以及支配这些粒子的奇异力量。

尚需更多数据

在费米实验室获得这一研究结果之前,位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机项目物理学家宣布,他们发现μ子的衰变方式有些奇怪。普赖斯说,这两项研究结果可能存在关联。

报道称,还没有足够数据能证明在标准模型之外肯定存在新粒子和新力。不过,费米实验室的研究人员到目前为止仅完成了对1/10实验数据的评估,且还在继续收集更多数据,因此,普赖斯表示,他们应该很快能断定这种异常现象是否真的由奇异粒子引起,抑或只是源自统计不确定性的人为产物。那些额外的测量数据可能还有助于缩小可能存在的新粒子的范围。

来源:参考消息本次分享:山海会公众号

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