最新μ子实验惊世骇俗：挑战标准模型，重引百家争鸣

原文作者：Davide Castelvecchi

违反基本理论的实验结果迫使物理学家给出新的解释。

物理学家们现在应该欣喜若狂了。从明面上的数据来看，4月的一项实验揭示了被称为μ子（muon）的基本粒子具有惊人的强磁性，这表明基本粒子的现有理论是不完备的（参见：μ子磁矩测量值更新：实验物理学家欢呼雀跃，理论物理学家更头疼）。如果这个实验值与理论值之间的差异确实存在，这将是该理论自50年前创立以来首次未能解释观测结果——还有什么比证明一个理论是错的更让物理学家欢欣的呢？

图为大型强子对撞机（LHC）的底夸克探测器（LHCb）。就在μ子g-2实验发布令人费解的μ子磁性结果的两周前，该探测器也发现了μ子的反常表现。来源：Peter Ginter /欧洲核子研究中心

在芝加哥近郊开展的μ子g-2实验于4月7日[1]发布的结果并没有指向一个新的革命性理论，反而带来了一个谜题。要想用一种能与物理学家目前掌握的所有基本粒子理论都相容的方法来解释这个结果似乎难如登天。此外，3月份的一个对撞机实验[2]还报道了μ子的其他反常表现，致使这项解释的任务难上加难。由此造成的结果是，研究人员为了作出解释，不得不进行难度好比体操三周空翻的理论物理分析。

僵尸模型

让我们来看看超对称理论（或称SUSY），许多物理学家曾认为这个理论最有希望推广当前的理论范式——即粒子物理标准模型。超对称理论有许多变体形式，但总体上，它假定标准模型中的每种粒子都有一个尚待发现的更重的对应粒子，称为“超伴子”（superpartner）。超伴子可能是在μ子周围真空区不断产生和湮灭的“虚粒子”之一，虚粒子是一种量子效应，有助于解释为什么μ子的磁场比预期的要强。

如果真是这样的话，这些粒子或能同时解开两个谜团：μ子磁性和暗物质，暗物质是一种看不见的物质，其引力似乎可以阻止星系飞散。

直到十年前，各种不同来源的证据都表明，一种有数百个质子重量的超伴子可能构成了暗物质。许多人预计，在瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机（LHC）里发生的碰撞会产生大量的这些新粒子，但截至目前还没有一个粒子真的出现过。LHC迄今为止获得的数据表明，典型的超伴子，如果存在的话，其重量不可能少于1000个质子的重量，该界限值也可能更高，具体取决于超伴子的类型和超对称理论的味（flavour）。

“许多人会认为超对称理论已经快被废弃了。”Dominik Stöckinger说。Stöckinger是德国德累斯顿理工大学的理论物理学家，也是μ子g-2合作组织的成员。他仍然认为超对称理论是行得通的，可以解释他的实验结果。他说：“和其他理论相比，超对称理论一点也不逊色。”

Stöckinger认为，有一种解释能让μ子g-2实验结果为超对称理论重新注入活力，并为暗物质的存在提供证据。这种解释是：在LHC的碰撞中，可能出现的不是一个超伴子，而是两个超伴子，这两个超伴子的质量相近——假设分别是550个质子和500个质子的重量。碰撞会产生更重的那个超伴子，然后它迅速衰变为两个粒子：一个是更轻的超伴子，还有一个是普通的标准模型粒子，这个普通粒子带走了50个质子的质量差。

LHC的探测器装备精良，只要那个普通粒子（带走两个超伴子之间质量差的粒子）足够大，就可以检测到这种衰变。但是，一个很轻的粒子却可能悄然逃逸而不被察觉。“众所周知，这是LHC的一个盲点。”加州SLAC国家加速器实验室的理论家Michael Peskin如是说。

质量相近双超伴子模型的不足之处在于，它预测出的宇宙暗物质数量远比天文学家实际观测到的要多。因此，需要补充新的机理来加以完善，该机理预测出的暗物质数量必须更少才行，Peskin解释道。这增加了理论的复杂性，为了使这个理论符合观测结果，它的所有内容都必须“恰如其分”。

与此同时，物理学家发现了更多关于μ子反常表现的迹象。在LHC进行的底夸克探测器（LHCb）实验发现了一些初步证据，证明μ子和电子虽然都是一种名为B介子的较重粒子的分裂产物，但μ子出现的频率远远低于电子[2]。而根据标准模型，μ子除了质量是电子的207倍以外，其他方面都与电子完全一致，因此B介子产生电子和μ子的概率应该是几乎相等才对。

巴黎萨克雷大学的物理学家Adam Falkowski认为，LHCb观测到的μ子反常与关于μ子磁性的新发现面临着同样的问题：虽然出现了各种各样的可能解释，但它们都是“硬凑的”，Falkowski说，“当我看到这些关于超对称理论的僵尸模型又被人从坟墓里挖出来，真是深感震惊。”

其他选项

物理学家认为，当研究人员试图构建一个既符合那些实验结果又符合LHCb结果的理论时，解释μ子g-2结果的任务就变得愈发艰巨了。“极少有模型能同时解释这两种现象。”Stöckinger说。尤其需要指出的是，用来解释μ子g-2结果和暗物质的超对称模型根本无法解释LHCb的结果。

话虽如此，有些方案却能神奇地同时适用于这两者。其中一种方案是基于轻子夸克（leptoquark）的理论，轻子夸克是一种假想的粒子，它可以把夸克转变成μ子或电子（二者都属于轻子）。轻子夸克也许可以重新延续上世纪70年代物理学家为实现粒子物理学“大统一”所作出的尝试，证明粒子物理学的三种基本作用力——强力、弱力和电磁力——都是同一种力的不同表现形式。

那个时代提出的大统一理论证明方案大多没能通过实验的检测，而幸存下来的轻子夸克理论模型也变得更加复杂了——但这些理论模型仍各有拥趸。瑞士苏黎世大学的理论家Gino Isidori说：“轻子夸克理论可以解开另一个大谜团：为什么不同粒子家族的粒子质量会如此迥异。”一个粒子家族包含较轻的夸克（质子和中子的组成部分）和电子，另一个家族则包含较重的夸克和μ子，而第三个家族又有更重的对应粒子。

除了轻子夸克外，还有一个重要竞争者，它或许也可以同时调和LHCb和μ子g-2的（实验与理论之间的）差异。它是一种被称为Z’玻色子的粒子，得名于它与Z玻色子之间的相似性，Z玻色子是携带导致核衰变“弱力”的基本粒子。英国剑桥大学的理论家Ben Allanach认为，Z’玻色子或也有助于解开这三个粒子家族的谜团。他说：“我们正在构建一些理论模型，得以让一些特征自然彰显，让你可以理解这些层次结构。”他还表示，轻子夸克和Z’玻色子都有一个优势，那就是它们存在的可能性仍然没有被LHC完全排除，而如果它们真的存在的话，就一定能被设备检测到。

LHC目前正在进行升级维护，预计将于2022年4月开始恢复质子撞击实验。将来产生的海量数据可能会进一步显示μ子的反常表现，并可能提供寻觅已久的新粒子的相关线索（尽管这可能还需要一个拟建的主要用于研究希格斯玻色子的正负电子对撞机，用来解决LHC部分盲点的问题，Peskin说）。同时，从明年开始，μ子g-2实验将会发布更多进一步的测量结果。一旦人们更准确地了解了这些测量结果，那么μ子磁性实验和理论之间的差异大小本身就可以用来对各种解释模型加以取舍。

除非另一种情况出现，也就是实验和理论之间的差异消失了，标准模型再度获胜。4月报道的一项用标准模型预测μ子磁性的最新计算结果[3]给出了一个更加接近实验结果的值。到目前为止，挑战标准模型的人总是铩羽而归，这也让物理学家们非常审慎。“我们也许处在一个新时代的开端。”Stöckinger这样说道。

参考文献：

1. Abi, B. et al. Phys. Rev. Lett. 126, 141801 (2021).

2. LHCb Collaboration et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2103.11769 (2021).

3. Borsanyi, Sz et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-021-03418-1 (2021).

原文以What’s next for physics’ standard model? Muon results throw theories into confusion标题发表在2021年4月23日的《自然》的新闻版块上