一个带着安全帽的剪影站在LHCb磁铁里。gydF4y2Ba

大型强子对撞机LHCb探测器(如图所示)在μ子发现前两周报告了μ子行为的异常gydF4y2BaggydF4y2Ba- 2实验宣布了关于μ子磁性的一个令人困惑的发现。gydF4y2Ba图源:Peter Ginter/CERNgydF4y2Ba

物理学家现在应该欣喜若狂了。从表面上看，被称为μ子的基本粒子具有惊人的强磁性，gydF4y2Ba本月的一项实验揭示了这一点gydF4y2Ba，表明已经建立的基本粒子理论是不完整的。如果这种差异被证实，这将是自50年前该理论提出以来，第一次未能解释观测结果——而物理学家最喜欢证明一种理论是错误的。gydF4y2Ba

但结果并没有指向一个新的革命性的理论，而是在4月7日公布的gydF4y2Ba1gydF4y2Ba介子gydF4y2BaggydF4y2Ba伊利诺斯州芝加哥附近的2个实验提出了一个谜。似乎很难用一种与物理学家所知道的其他基本粒子相容的方式来解释它。三月份报道了μ子行为中的其他异常现象gydF4y2Ba2gydF4y2Ba通过对撞机实验，只会让这个任务更难。其结果是，研究人员必须进行理论物理上相当于翻三个跟斗的动作，才能解释得通。gydF4y2Ba

僵尸模式gydF4y2Ba

以超对称理论(SUSY)为例，许多物理学家曾经认为这个理论最有希望扩展当前的范式，即粒子物理学的标准模型。超对称性有很多变体，但一般来说，它假定标准模型中的每个粒子都有一个尚未被发现的更重的对应物，称为超级伙伴。超级伙伴可能是“虚拟粒子”之一，它们不断地在μ子周围的真空空间中进进出出，这种量子效应将有助于解释为什么这种粒子的磁场比预期的要强。gydF4y2Ba

如果是这样的话，这些粒子可以同时解决两个谜题:μ子磁性和暗物质，暗物质是一种看不见的东西，通过它的引力，似乎可以阻止星系飞离。gydF4y2Ba

直到十年前，各种各样的证据都表明，重达几百个质子的超级伙伴可能构成暗物质。许多人预计，在瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机(LHC)的碰撞会产生大量这种新粒子，但到目前为止，还没有一个实现。到目前为止，LHC产生的数据表明，典型的超级伙伴，如果存在的话，重量不可能低于1000个质子(边界可以更高，这取决于超粒子的类型和超对称理论的风格)。gydF4y2Ba

“许多人会说超对称几乎已经死亡，”德国德累斯顿工业大学的理论物理学家多米尼克Stöckinger说，他是μ子的成员gydF4y2BaggydF4y2Ba- 2协作。但他仍然认为这是解释他的实验发现的一种合理的方式。他说:“如果你把它与其他想法进行比较，你会发现它并不比其他想法差。”gydF4y2Ba

介子有一种方式gydF4y2BaggydF4y2Ba- 2可能会复活超对称性，也为暗物质提供证据，Stöckinger说。在大型强子对撞机的碰撞中，可能出现的不是一个超级伙伴，而是两个，它们的质量大致相似——比如，大约在550和500个质子左右。碰撞会产生质量更大的粒子，然后迅速衰变为两个粒子:更轻的超级伙伴和一个普通的标准模型粒子，带走了50个质子的质量差。gydF4y2Ba

大型强子对撞机(LHC)探测器装备精良，只要普通粒子(带走两个超伙伴之间质量差的粒子)足够大，就能揭示这种衰变。但是一个非常轻的粒子可以逃脱而不被察觉。“众所周知，这是大型强子对撞机的盲点，”加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的理论家迈克尔·佩斯金(Michael Peskin)说。gydF4y2Ba

问题是，包括两个质量相似的超级伙伴的模型也倾向于预测宇宙中包含的暗物质数量应该比天文学家观测到的要多得多。佩斯金解释说，因此需要一种额外的机制——一种可以减少预测的暗物质数量的机制。这增加了理论的复杂性。为了符合观测结果，它的所有部分都必须“恰好”工作。gydF4y2Ba

与此同时，物理学家发现了更多μ子行为怪异的迹象。在大型强子对撞机(LHCb)进行的一项实验发现了初步证据，证明μ子作为某些更重的粒子(称为B介子)的击穿产物出现的频率明显低于电子gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．根据标准模型，μ子应该在各方面都与电子相同，除了它们的质量是电子的207倍。因此，B介子产生电子和μ子的速率几乎相等。gydF4y2Ba

巴黎萨克雷大学的物理学家亚当·法尔科夫斯基(Adam Falkowski)说，LHCb μ介子异常与新的μ介子磁发现面临着同样的问题:存在各种可能的解释，但它们都是“临时的”。Falkowski说:“我对这群僵尸SUSY模特从坟墓中被拖出来感到非常震惊。”gydF4y2Ba

其他选项gydF4y2Ba

解释μ子的任务gydF4y2BaggydF4y2Ba物理学家说，当研究人员试图编造一种理论来同时符合这些发现和LHCb的结果时，- 2的结果变得更加困难。“很少有模型能同时解释这两种情况，”Stöckinger说。特别是解释μ子的超对称模型gydF4y2BaggydF4y2Ba- 2和暗物质对LHCb毫无作用。gydF4y2Ba

尽管如此，仍有一些解决方案可以奇迹般地兼顾两者。一种是轻夸克——一种假想的粒子，可以将夸克转化为μ子或电子(两者都是轻子的例子)。瘦夸克可能会让物理学家在20世纪70年代试图实现粒子物理学的“大统一”，表明它的三种基本力——强、弱和电磁力——是同一种力的各个方面。gydF4y2Ba

那个时代的大部分大统一方案都失败了，幸存的轻夸克模型变得更加复杂——但它们仍然有自己的粉丝。瑞士苏黎世大学的理论家Gino Isidori说:“瘦夸克可以解决另一个大谜团:为什么不同种类的粒子有如此不同的质量。”一个家族是由较轻的夸克(质子和中子的组成部分)和电子组成的。另一个家族有更重的夸克和μ子，第三个家族有更重的同类。gydF4y2Ba

除了轻夸克，还有一个主要的竞争者可能会调和LHCb和μ子gydF4y2BaggydF4y2Ba- 2个不符点。它是一种被称为Z '玻色子的粒子，因为它与Z玻色子相似，Z玻色子携带着导致核衰变的“弱力”。英国剑桥大学的理论学家Ben Allanach说，这也有助于解开这三个家族的谜团。他说:“我们正在构建的模型中，一些功能非常自然地显现出来，你可以理解这些层次结构。”他补充说，瘦夸克和Z '玻色子都有一个优势:它们仍然没有被LHC完全排除，但如果它们存在，机器最终应该能看到它们。gydF4y2Ba

LHC目前正在进行升级，将于2022年4月再次开始对撞质子。即将到来的大量数据可能会加强μ子的异常现象，并可能提供长期寻找的新粒子的线索gydF4y2Ba提出的电子-正电子对撞机gydF4y2BaPeskin说，它主要用于研究希格斯玻色子，可能需要解决LHC的一些盲点)。与此同时，从明年开始，μ子gydF4y2BaggydF4y2Ba- 2将发布进一步的测量结果。一旦更精确地了解，介子磁性和理论之间的差异本身就可以排除一些解释，并指向其他解释。gydF4y2Ba

也就是说，除非差异消失，标准模型再次获胜。本月报道了一项关于标准模型预测μ子磁性的新计算gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba给出了一个更接近实验结果的数值。到目前为止，那些打赌反对标准模型的人总是失败，这让物理学家们谨慎起来。Stöckinger说:“我们也许正处于一个新时代的开端。”gydF4y2Ba