新的计算似乎让一个25年的粒子物理难题得以平息。但它们也与其他实验结果产生了冲突。引言 在过去的25年里，物理学家们一直对一个似乎是百万分之一的问题感到困惑。他们对某些粒子在磁场中应有的晃动方式的预期，与他们在实验中观察到的结果相悖。这个差异充满了电气化的暗示，似乎他们可能看到了未知粒子的证据。但在2021年，这种暗示似乎消失了。当研究人员更新了他们的理论计算方式时，他们发现他们的预测与实验结果之间的匹配变得比以前更为精确，达到了千亿分之一。但这又产生了另一个难题：旧的计算似乎是完全有效的。那么为什么它们与新的计算不匹配呢？那些较早的预测并不是纯粹基于理论；它们也来自其他实验的推断。如果较早的计算与较新的结果相冲突，而较早的计算是基于实验数据，那么那些旧实验中是否发生了奇怪的事情？一个有希望的线索来自西伯利亚的粒子对撞机，该对撞机近期开始看到其实验结果与过去的结果显著偏离。它的结果引发了一阵活动，物理学家们试图确定这些相互矛盾的测量是否是由于不同实验程序的副作用，或是否意味着新的粒子终究出现了。奇怪的晃动 神秘的中心粒子是缪子，电子的重表亲。缪子有点像一个小磁棒。在磁场中旋转它，磁性会使其晃动，描绘出自己的较小的圆圈。这些圆圈的大小由一个称为“g因子”的数字决定。如果缪子与其他粒子隔离，其g因子将恰好为2。但量子理论要求所有其他粒子都对g因子产生影响。当缪子晃动时，它会释放出短暂存在的粒子，比如光子，这些粒子太短命以至于无法被探测器捕捉到。这些粒子可以释放出其他粒子，进而再释放出更多粒子。缪子迅速重新吸收所有这些短暂的粒子，它们留下的唯一痕迹就是缪子晃动得稍微多了一点。通过这些复杂的发射与重新吸收链，每个存在的粒子对缪子的运动都有一些微小的影响。这使得过量晃动的精确大小，即缪子的“g -2”，成为窥探量子世界的无价窗口。“缪子g -2的测量是说明宇宙中存在多少粒子的代理，”伦敦大学学院的资深研究员亚历克斯·凯莎瓦尔兹说。因此，当2001年布鲁克海文国家实验室的一个实验测量缪子的g因子时，物理学家们很高兴地发现它的值大于预期。对于一些人来说，这暗示着新的粒子 —— 甚至可能是可以解释暗物质的粒子 —— 正在起作用。物理学家们着手用更精确的测量来验证这个结果。2013年，布鲁克海文的宽50英尺的磁环通过一系列复杂的驳船和卡车被移动到位于伊利诺伊州的费米国家加速器实验室（Fermilab），在那里，一个升级版的实验将收集更多的数据。为了准备这个新实验，物理学家们还付出了巨大的努力去理解与数据不一致的理论预测。他们的挑战是详细理解缪子的发射与重新吸收链。特别地，与自然界四种基本力相联系的粒子在这些链中参与的程度有多大？对于自然界四种力中的三种，计算是直接的。重力太微弱，物理学家可以完全忽略。而电磁力和弱核力可以用标准方法推导。然而，强力就不是那么容易处理。这种力将被称为夸克的粒子紧密结合到复合粒子中，如质子和中子。标准的理论技术不适用于强力。因此，物理学家们必须发挥创造力。在2018年的博士论文中，凯莎瓦尔兹帮助完善了一种理解强力的替代方法，称为数据驱动方法。在这种方法中，物理学家们不试图预测缪子会多频繁地发射和吸收夸克组，而是直接去测量。主要方式是通过撞击电子及其反物质伴侣正电子。物质和反物质互相湮灭，产生其他粒子，包括夸克的束。在电子-正电子碰撞中，如果有大量的夸克出现，物理学家就知道它们与电子和正电子等粒子之间有紧密的量子联系。简而言之，在电子-正电子碰撞中出现的夸克越多，它们对缪子的影响就会越强。