神秘的μ介子，打破了已知的物理定律，正在挑战宇宙粒子标准模型

在粒子物理标准模型中，科学家们根据粒子相互间作用力的不同，将组成物质的最小、最基本的单元划分为三种粒子，分别是强子、轻子和传播子。在上世纪中叶，科学家们又通过宇宙高能射线以及高能加速器，陆续发现了上百种自旋为整数的介子以及自旋为半整数的重子，这些介子和重子都是由上、下、奇异3种夸克所构成，与此同时，也发现了比电子要重、带一个负电荷的μ介子以及与之相伴的中微子。据此，科学家们进一步丰富完善了粒子物理标准模型，将夸克与轻子置于同一层次，为成为最严密的物理理论之一奠定了坚实的基础。

μ介子摆动频率与粒子标准模型的“出入”

一个理论越是完美，就越会受到科学家们的关注，总会想方设法去进行验证，而这种验证多数是以“证伪”为主要目的，就像宇宙大爆炸、进化论一样，粒子物理模型自从上世纪70年代发展起来之后，就一直“享受”着这种待遇。

之所以粒子物理标准模型会如此令科学们着迷，主要原因在于，它能够非常准确地预测宇宙中基本粒子的行为和规律，拿μ介子来说，标准模型就准确地预测了它的摆动频率。然而，粒子物理标准模型同样存在着“缺陷”，比如其中缺少对引力的描述，也没有涉及可能遍布宇宙中的神秘暗物质。

所以，在整个宇宙中，或许会存在着标准模型之外的东西，于是科学家们对它的研究乐此不疲，但是大量的实验，特别是高能粒子加速器投入研究以后，结果总会让人们“失望”，因为所观察到的现象，都处在粒子标准模型的预测范围之内，最有代表性的就是2012年，利用大型强子对撞机，发现了一种标准模型所预测的粒子—希格斯玻色子，使得粒子标准模型体系更加完整，权威性变得更强。

2001年，美国布鲁克海文国家实验室研究发现，粒子标准模型中的μ介子，其摆动频率似乎比标准模型预测的要稍微快一些，这种现象利用模型很难解释。自2018年以来，美国费米实验室研究人员，进一步完善这个实验，利用大型强子对撞机监测到，μ介子的摆动频率，的确要比标准模型预测的稍快，在一定程度上说明宇宙中可能存在着额外的粒子，对μ介子的行为产生了影响，而这种影响标准模型并没有做出预测。

标准模型对μ介子行为的预测

μ介子是一种微观粒子，它的性质与上世纪30年代发现的电子有很多相似之外，具有负电荷，具有自旋特性，但是它的质量要比电子大得多，是电子的207倍，这些性质使得该介子在磁场中可以表现出比较微弱的摆动，而且磁场越强，摆动的频率就会越快。

按照标准模型，在量子尺度上，微小的能量波动体现形式，就是粒子对（正粒子和虚粒子）的突然出现和消失，如果μ介子与虚粒子的“背景”相互融合时，就会出现摆动频率加快的现象，加快的效率约为0.1%，而实现这种摆动频率增加的环境，就是反常磁矩。

不过，标准模型对μ介子的预测，取决于对宇宙中所有粒子的描述。在已经做出预测的所有粒子中，对μ介子的影响是相对固定的，这也就使得其摆动频率处在一个“合理”的增幅之中。那么，假如宇宙中包含着模型没有预测到的其它粒子，那么就会影响μ介子的反常磁矩，从而有几率使得μ介子的摆动频率突破到上述固定区间之外，虽然这种额外的影响微乎其微，但仍然有几率在精密的实验室中测量出来。

因此，探测μ介子，已经成为新物理学中最具有包容性的活动之一了，如果通过反复实验，测量的结果，在消除随机波动造成的理论预测与实际观察之间的误差之后，达到一定的确定性标准之后，仍然存在着“分歧”，那么就会对之前的粒子标准模型产生冲击。

费米实验室所做的努力

费米实验室的科学家，利用大型强子对撞机撞击成对的质子，然后通过过滤亚原子碎片来实现μ介子束。之后，μ介子束通过一个14吨重的磁环，在磁力的影响下一圈又一圈运行，在此过程中，μ介子发生衰变形成τ轻子与电子，然后这些粒子顺着轨道进入探测器阵列，科学家们根据衰变后的粒子撞击探测器的频率，然后计算出之前μ介子摆动的速度有多快。

这个实验装置历经十多年的改进优化，其精度已经达到目前阶段的最高，其中对μ介子反常磁矩的测量精度，达到了140ppm，是本世纪初布鲁克海文实验室的精度好4倍。通过2-3年的实验、分析和计算，最终计算的μ介子摆动频率，仍然要比标准模型预测的高。

据有关科学家介绍，这个实验还需要再持续做几年的时间，以使监测统计数据达到确定性标准，也就是误差达到350万分之一。不过，费米实验室现有的观测结果，无疑为挑战（或者说是丰富完善）粒子标准模型提供了重要线索，在一定程度上让我们看到了标准模型之外，存在其它基本粒子的可能性。