研究：渺子摆动异常或有助揭示新的自然力

费米实验室“渺子g-2”实验使用的超导磁圆环设备。物理学家将渺子发射到这个超导磁圆环中，并测量其以接近光速运行时的磁矩。（费米实验室）

费米国家加速器实验室的物理学家发现了更多证据，证明亚原子粒子的行为异常。这可能是新的第五种自然力的证据，也可能暗示了一个新的未知时空维度的存在。总之，这是一个谜团，解开这个谜团，或引发下一次物理学革命。

目前，已知的自然力有四种：引力、电磁力、强核力和弱核力。这四种力帮助我们解释宇宙是如何运作的。但仍然有一些我们不明白的宇宙奇迹——第五种自然力的发现可能有助于解决这些谜团。

渺子的异常摆动

2021年，物理学家在费米实验室进行“渺子g-2”实验时注意到，一种被称为“渺子”（muon）的亚原子粒子的摆动（wobble）程度超出了预期。

布鲁克海文国家实验室的科学家们于2001年目睹了类似现象，但这种不寻常的行为二十多年来一直无法解释，让物理学家深感困惑。

渺子类似于电子（围绕原子核旋转的微小粒子），但质量是电子的200倍；因此，它们得了个绰号“胖电子”。

这些胖电子可以像X射线一样穿透物体，被用来帮助科学家发现埃及大金字塔中的一个隐藏房间，并帮人们一窥火山的内部结构。

大金字塔的内部结构（左）及两个入口（右）的示意图。渺子在此内部结构的实验中起到关键作用。（公有领域）

现在，它们可能会帮助物理学家发现第五种自然力。

费米实验室在8月10日的一份声明中表示：“像电子一样，渺子也有一个微小的内部磁铁，在磁场存在的情况下，它会像陀螺的轴一样进动或摆动。”

为了研究这些渺子，物理学家将其发射到超导磁圆环中，并测量其以接近光速运行数千周的行为。

物理学家观察到，渺子的摆动程度远远超过粒子物理学标准模型的计算。粒子物理学标准模型是物理学家在过去50年里用来解释和理解亚原子领域的数学模型。

如果标准模型的方程式无法解释渺子的异常摆动，物理学家将被迫寻找其它解释。

一种可能的解释是，此行为是由第五种自然力决定的。据《生命科学》（Live Science）网站报道，其它可能的解释则是一种新型的奇特粒子的存在、或一个新的维度或一个尚不为人知的时空特性。

费米实验室高级物理学家布伦丹·凯西（Brendan Casey）在实验室的新闻稿中表示：“我们确实正在探索一个新领域。我们正在以前所未有的精度确定渺子的磁矩。”

科学家目前有两种方法可以使用标准模型来描述渺子的摆动，不过它们提供了相互矛盾的结果。

科学家希望解决差异的一个方法是进行更精确的测量。这也是为什么费米实验室物理学家这次收集的数据是2021年的四倍，让实验不确定性降低两倍。

费米实验室“渺子g-2”实验的联合发言人格拉齐亚诺·韦南佐尼（Graziano Venanzoni）表示，“当我们完成对最后三年数据的分析后，预计精度会再提高两倍。”

如果结果揭示了第五种自然力，它可能有助于解释一些科学上最大的问题，包括：暗物质是由什么构成的？什么是暗能量？为什么宇宙中的物质远多于反物质？

科学家们意识到，可能必须超出标准模型的范围才能回答这些问题。渺子摆动这样的谜团是下一次物理学革命的诱因。