看不太懂，但大受震撼：2021年物理學(xué)的那些進(jìn)展
撰文 | 施郁（復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授）
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2012年希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型完全確立。但是中微子質(zhì)量、宇宙中的物質(zhì)－反物質(zhì)不對(duì)稱和暗物質(zhì)都顯示出超越標(biāo)準(zhǔn)模型的跡象。
目前，世界上能量最高的對(duì)撞機(jī)并沒(méi)有給出直接的線索，高精度測(cè)量依然是尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理的重要途徑。在標(biāo)準(zhǔn)模型范疇之內(nèi)，也有一些參數(shù)值得精確測(cè)量。那么，過(guò)去這一年，有哪些超越標(biāo)準(zhǔn)模型的跡象顯現(xiàn)呢？
繆子反常磁矩
經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中，磁矩正比于角動(dòng)量，比例系數(shù)叫做旋磁比。量子力學(xué)中，有一種內(nèi)稟角動(dòng)量，叫自旋，也導(dǎo)致磁矩，但是比例系數(shù)在旋磁比基礎(chǔ)上，還要再乘以一個(gè)叫做g因子的系數(shù)。對(duì)于電子和繆子來(lái)說(shuō)，g=2。
但在量子場(chǎng)論中，由于其他量子場(chǎng)的相互作用，導(dǎo)致很多虛粒子，使得電子和繆子的g都大于2，叫做反常磁矩。
歷史上，電子反常磁矩在量子電動(dòng)力學(xué)重整化中發(fā)揮過(guò)作用?？娮拥馁|(zhì)量是電子的一百多倍，因此它的反常磁矩更大。
g的準(zhǔn)確數(shù)值可以根據(jù)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)模型是包含電磁、弱和強(qiáng)三種基本相互作用和已知基本粒子的量子場(chǎng)論。因此g-2是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的精確檢驗(yàn)，是尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的跡象的一個(gè)途徑。
20年前，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算結(jié)果相差百萬(wàn)分之幾，是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ的2.7倍，記作2.7σ。后來(lái)理論計(jì)算的準(zhǔn)確性不斷提高。2020年，實(shí)驗(yàn)-理論差異達(dá)到3.7σ。
最近，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了它新一代g-2實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，證實(shí)了20年前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)-理論差異達(dá)到4.2σ [1,2]。σ前面的倍數(shù)越大，說(shuō)明結(jié)果越可信。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)所用的磁鐵正是最初布魯克海文實(shí)驗(yàn)室所用的磁鐵，但是他們的繆子束更純更強(qiáng)。一個(gè)關(guān)鍵在于精確測(cè)量磁場(chǎng)，他們用了幾百個(gè)核磁共振感應(yīng)器。
這個(gè)結(jié)果基于對(duì)2018年實(shí)驗(yàn)的分析，對(duì)2019和2020年實(shí)驗(yàn)的分析也在進(jìn)行中，據(jù)稱，實(shí)驗(yàn)-理論的差異將來(lái)可以達(dá)到7σ。約10年后，J-PARC的E34實(shí)驗(yàn)還將用不同的技術(shù)測(cè)量g-2。
在將差異歸結(jié)為超出標(biāo)準(zhǔn)模型之前，還要完善標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)的理論計(jì)算。較難計(jì)算的是強(qiáng)子真空極化過(guò)程，需要用格點(diǎn)規(guī)范理論。
有一個(gè)格點(diǎn)規(guī)范理論組指出，他們的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差別只有幾十億分之一，因此標(biāo)準(zhǔn)模型似乎沒(méi)問(wèn)題 [3]。但是這還需要有其他組的獨(dú)立檢驗(yàn)。
輕子味普適性破壞的可能性
在標(biāo)準(zhǔn)模型中，電子和繆子是不同味的輕子，它們與希格斯粒子的相互作用不一樣，但是與其他粒子的相互作用一樣，叫做輕子味普適性。
如果繆子反常磁矩來(lái)源于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型的超越，可以看成對(duì)輕子味普適性的破壞，也就是說(shuō)，不同味的輕子之間的差別大于標(biāo)準(zhǔn)模型中的情況。
2021年，還有其他實(shí)驗(yàn)論文提出輕子味普適性破壞的跡象 [4]。CERN的LHCb實(shí)驗(yàn)表明，b夸克衰變?yōu)閟夸克，并伴隨產(chǎn)生正反輕子對(duì)時(shí)，所產(chǎn)生的正負(fù)繆子對(duì)明顯多于正負(fù)電子對(duì)，差別達(dá)到了3.1σ [4,5]。CERN的CMS的正負(fù)質(zhì)子碰撞實(shí)驗(yàn)中，觀測(cè)到的高能正負(fù)電子比正負(fù)繆子多 [6,5]。
此前就有其他跡象。b夸克衰變?yōu)閟夸克的關(guān)聯(lián)和衰變率，與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言差別達(dá)5σ以上；b夸克衰變?yōu)閏夸克，伴隨產(chǎn)生輕子和中微子的過(guò)程中，陶子（另一種味）明顯多于電子或繆子，差別達(dá)到3σ；有的貝塔衰變體現(xiàn)出所謂的卡比博角反常，達(dá)到3σ，也說(shuō)明繆子與電子的差別大于標(biāo)準(zhǔn)模型結(jié)果。
這些輕子味普適性的破壞還需要更多更精密的測(cè)量來(lái)確定。
中微子振蕩探測(cè)的模型要修改
實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的中微子有明確的味，用量子力學(xué)語(yǔ)言說(shuō)，是味本征態(tài)（在某某本征態(tài)，某某就是確定的）。每個(gè)味本征態(tài)是三個(gè)不同質(zhì)量本征態(tài)的疊加態(tài)，因此中微子有振蕩。
中微子振蕩的測(cè)量基于與核子的相互作用，但是描述這個(gè)相互作用的理論模型并沒(méi)有直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 最近美國(guó)Jefferson實(shí)驗(yàn)室CLAS和e4ν合作組的電子-核子散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電子-核子相互作用需要修改。因?yàn)橹形⒆?核子的相互作用與之相似，所以也需要修改 [7,8]。
尋找暗物質(zhì)
宇宙中引力現(xiàn)象表明，暗物質(zhì)和暗能量應(yīng)該存在，但是沒(méi)有被直接觀測(cè)到。
暗物質(zhì)的證據(jù)主要來(lái)自星系的旋轉(zhuǎn)行為、引力透鏡、星系形成等等方面。暗能量的證據(jù)主要來(lái)自宇宙加速膨脹。
現(xiàn)在一般認(rèn)為，宇宙中的所有物質(zhì)-能量中，只有5%是普通物質(zhì)（組成成分不超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子），27%是暗物質(zhì)，還有68%是暗能量。
尋找暗物質(zhì)和暗能量是科學(xué)前沿課題。人們提出了種種暗物質(zhì)假說(shuō)，并試圖在實(shí)驗(yàn)室里找到。
2013年開(kāi)始，“暗能量巡天” 合作組基于智利的Blanco望遠(yuǎn)鏡，繪制所有的星系圖，以提供宇宙中物質(zhì)分布的信息，確定宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)的分布。2019年完成了6年觀測(cè)。
最近，他們用一個(gè)理論模型，分析了其中第一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，描寫了幾種測(cè)量的關(guān)系：星系分布，形成星系團(tuán)的星系的分布，以及遙遠(yuǎn)星系的光被地球附近物質(zhì)所扭曲的情況。他們給出了對(duì)于可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)的密度及其漲落的新限制，將取值范圍壓縮了20% [9,10]。
20年前，意大利的DAMA/LIBRA實(shí)驗(yàn)聲稱有暗物質(zhì)粒子的跡象。最近與之相似的西班牙ANAIS實(shí)驗(yàn)（基于摻鉈碘化鈉閃爍器）發(fā)表對(duì)三年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，與DAMA/LIBRA結(jié)果的差別是2.7σ [11,12]。明年他們有望達(dá)到3σ。
弱相互作用有質(zhì)量粒子（WIMP）是一種熱門的暗物質(zhì)候選者。軸子是另一種，最初是維爾切克和溫伯格各自獨(dú)立提出的假想粒子（采納了維爾切克的命名），以解釋強(qiáng)相互作用不破壞CP對(duì)稱性。
去年，位于意大利Gran Sasso山的XENON1T實(shí)驗(yàn)曾經(jīng)探測(cè)到信號(hào)，不能輕易解釋為噪聲（285個(gè)事件，比正常的232個(gè)噪聲事件多3.5σ），但是電子-光子比值又大于弱相互作用有質(zhì)量粒子（WIMPs）所能導(dǎo)致的值。
他們指出有三個(gè)可能：太陽(yáng)來(lái)的粒子、不同于WIMPs的暗物質(zhì)、放射性污染。去年其他作者也發(fā)表了好幾種理論解釋，包括軸子、WIMPs、加速的冷暗物質(zhì)、非標(biāo)準(zhǔn)中微子，等等。
華盛頓大學(xué)的軸子暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)（ADMX）旨在尋找軸子。最近它基本上排除了某個(gè)模型下3.3到4.2微電子伏特之間（改探測(cè)器的敏感能區(qū)）的軸子，同時(shí)也對(duì)其他模型中軸子性質(zhì)給出嚴(yán)厲限制 [13,14]。
位于四川錦屏山下3000米，由上海交通大學(xué)牽頭的PandaX-4T實(shí)驗(yàn)，采用氙探測(cè)器，尋找WIMPs。
去年7月，他們發(fā)布了更新后的最新成果，對(duì)40GeV的WIMPs與核子的無(wú)自旋相互作用給出嚴(yán)厲限制。目前實(shí)驗(yàn)組在進(jìn)一步降低放射性導(dǎo)致的背景噪聲，將來(lái)有望對(duì)于WIMPs和軸子給出進(jìn)一步限制 [15,14]。
隨著尋找WIMPs的探測(cè)敏感度不斷提高，正在逼近 “中微子地板”，即WIMPs能被探測(cè)的下限。中微子和假設(shè)存在的WIMPs都與原子核散射，跡象類似，因此如果到了探測(cè)器的 “中微子地板”，WIMPs的信號(hào)就淹沒(méi)于中微子的信號(hào)中。這限制了何種暗物質(zhì)粒子能被發(fā)現(xiàn)。
但是中微子地板取決于中微子通量的不確定性，可以通過(guò)增加事件數(shù)來(lái)克服。最近悉尼大學(xué)的O’Hare改進(jìn)了中微子地板的定義，使得統(tǒng)計(jì)上更有意義，而且不依賴于具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
在新定義下，為了克服中微子地板，質(zhì)量中等的WIMPs的散射率保持不變，質(zhì)量太大或太小的WIMPs則需要更大的散射率 [16,17]。另一方面，因?yàn)橹形⒆拥匕鍋?lái)自一種特殊的中微子過(guò)程，叫做相干彈性中微子-核子散射，探測(cè)器的靈敏度逼近中微子地板使得這種信號(hào)得以被探測(cè)，提供了研究新物理的新機(jī)會(huì) [18]。
2021年還有探測(cè)暗物質(zhì)的新探測(cè)方法和新途徑發(fā)表。
芝加哥大學(xué)的Dixit等人提出，用超導(dǎo)量子比特探測(cè)某些暗物質(zhì)（暗光子或軸子）轉(zhuǎn)變來(lái)的光子，比其他探測(cè)手段更敏感。
在這個(gè)方法中，超導(dǎo)量子比特檢測(cè)微波腔中的光子數(shù)。他們的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)排除了某些參數(shù)區(qū)的暗光子。經(jīng)過(guò)改裝，增加磁場(chǎng)，這個(gè)裝置還可以用于探測(cè)軸子 [19,20]。
引力波探測(cè)器和量子增強(qiáng)的干涉儀可以用于暗物質(zhì)探測(cè)。
英國(guó)Cardiff大學(xué)的Grote等人報(bào)告了用位于德國(guó)Hannover的引力波探測(cè)器GEO600尋找標(biāo)量場(chǎng)暗物質(zhì)的結(jié)果。理論上，這樣的暗物質(zhì)來(lái)源于宇宙早期。GEO600使用壓縮光，超越了量子顆粒噪聲極限。而且，在所有的引力波探測(cè)器中，GEO600對(duì)于分束器處的光學(xué)相位差最敏感，因此最適合于暗物質(zhì)探測(cè)。
他們已經(jīng)得到了一些結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，給出了標(biāo)量場(chǎng)暗物質(zhì)作為質(zhì)量函數(shù)的耦合常數(shù)的上限，將上限改進(jìn)了6個(gè)數(shù)量級(jí) [21]。
斯坦福直線加速器實(shí)驗(yàn)室的Leane和俄亥俄州立大學(xué)的Smirnov提出，可以通過(guò)系外行星的溫度來(lái)揭示暗物質(zhì)的效應(yīng)，從而得到暗物質(zhì)在星系中的分布。
在某些模型中，銀河系處于一個(gè)暗物質(zhì)的球形暈中，暗物質(zhì)粒子被天體上的電子或核子散射后，可以被天體的引力吸引住，而某些暗物質(zhì)粒子湮滅后產(chǎn)生光子或其他粒子，因此對(duì)天體有加熱效應(yīng)。
今后5年，人類有望發(fā)現(xiàn)幾萬(wàn)顆系外行星，這些系外行星可以充當(dāng)能量在GeV以下的暗物質(zhì)探測(cè)器。剛剛發(fā)射的韋布太空望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)到被加熱的氣態(tài)巨行星、褐矮星和無(wú)恒星的流浪行星 [22,23]。
用現(xiàn)在疫情中熟悉的語(yǔ)言說(shuō)，暗物質(zhì)檢測(cè)結(jié)果迄今是陰性。會(huì)不會(huì)暗物質(zhì)其實(shí)不存在，只需要修改引力理論，就可解釋那些視為暗物質(zhì)證據(jù)的引力現(xiàn)象？
MOND（修改了的牛頓動(dòng)力學(xué)）理論就是這樣的無(wú)暗物質(zhì)理論，最初是為了解釋星系旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)而提出，后來(lái)經(jīng)過(guò)相對(duì)論推廣后，也能解釋引力透鏡現(xiàn)象。但它原來(lái)不能自洽解釋所有的現(xiàn)象，特別是宇宙微波背景輻射這個(gè)非常重要的現(xiàn)象。最近，捷克科學(xué)院的Skordis和Zlosnik提出一種MOND模型，能在與引力現(xiàn)象融洽前提下解釋宇宙微波背景輻射 [24,25]。
一百多年前，物理學(xué)家試圖找到以太而未果，后來(lái)愛(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論，以太假說(shuō)被拋棄。歷史會(huì)不會(huì)重演？會(huì)不會(huì)將來(lái)一個(gè)全新的理論使得暗物質(zhì)（或者暗物質(zhì)和暗能量）假說(shuō)也被拋棄？
我們只能讓物理學(xué)子彈再飛一些年，拭目以待。
粒子物理和核物理的其他進(jìn)展
電荷共軛（C）變換是指在理論中，將粒子變成它的反粒子。宇稱（P）變換指將空間方向變?yōu)榉捶较颉?biāo)準(zhǔn)模型中，在CP聯(lián)合變化下，弱相互作用微弱地變化了，叫做CP破壞。
CP破壞導(dǎo)致中性D介子及其反粒子是味本征態(tài)，是不同質(zhì)量本征態(tài)的疊加態(tài)。因此它們之間能發(fā)生振蕩，或者說(shuō)混合。振蕩頻率取決于兩個(gè)質(zhì)量本征態(tài)的質(zhì)量差。最近LHCb測(cè)量出這個(gè)質(zhì)量差是3X10-39克 [26,27]。
如果CP變換的同時(shí)，也聯(lián)合進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)（T）變換，那么物理規(guī)律保持不變，叫CPT定理。用反質(zhì)子和正電子組成反原子，可以在比基本粒子更大的尺度檢驗(yàn)CPT定理，而且檢驗(yàn)的精度也非常高。
1995年，CERN曾經(jīng)制備了11個(gè)反氫原子，但是每個(gè)反原子只存在了幾十納秒。現(xiàn)在CERN的ALPHA合作組可以很平常地制備1千多個(gè)反氫原子，并能存在很多小時(shí)。他們用磁場(chǎng)約束住反質(zhì)子和正電子的混合體，制備出反氫原子，再用更復(fù)雜的磁場(chǎng)囚禁住，用多普勒冷卻的方法進(jìn)行激光冷卻。他們以1/1012的精度測(cè)量能級(jí)之間的躍遷頻率，與氫原子一樣，驗(yàn)證了CPT定理 [28,29]。
質(zhì)子冷卻方面，CERN的BASE實(shí)驗(yàn)組借助于相距9厘米的離子，用共同冷卻的方法，將一個(gè)質(zhì)子的溫度降低了85%。這個(gè)方法有望用于反物質(zhì) [30,31]。
反中子和超子通常較難獲得，中科院高能物理所的苑長(zhǎng)征和特拉維夫大學(xué)的Karliner指出，巨量的反中子和超子可以從J/ψ介子的衰變獲得。比如，100億J/ψ時(shí)間可以產(chǎn)生8百萬(wàn)個(gè)反中子 [32,33]。
洛斯阿拉莫斯UCNτ實(shí)驗(yàn)通過(guò)用磁場(chǎng)囚禁超冷種子，將中子平均壽命的測(cè)量精度比原來(lái)提高了一倍。他們測(cè)定的中子平均壽命是877.75秒 [34,35]。
原子核中的核子如果足夠多，形成庫(kù)珀對(duì)，類似超導(dǎo)或超流配對(duì)。眾所周知，庫(kù)珀對(duì)可以在兩塊超導(dǎo)體之間隧穿，叫做約瑟夫森效應(yīng)。勞倫斯利物浦試實(shí)驗(yàn)Potel等人證實(shí)，重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中，碰撞的原子核之間發(fā)生配對(duì)中子的約瑟夫森效應(yīng) [36,37]。
CP破壞導(dǎo)致在分子中產(chǎn)生電偶極矩和電荷分離，因此放射性分子可以用來(lái)敏感地測(cè)量CP破壞 [38]。
加州大學(xué)Santa Barbara分校Fan等基于激光的實(shí)驗(yàn)給出了產(chǎn)生和識(shí)別放射性分子的新方法，用電場(chǎng)囚禁激光冷卻的鐳離子，再與甲醇蒸汽混合，反應(yīng)產(chǎn)生放射性分子 [39]。
加州理工大學(xué)的Yu和Hutzler的理論分析表明，這個(gè)分子很適用于研究對(duì)稱破缺和尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理 [40]。
麻省理工學(xué)院的Udrescu等人測(cè)量了不同鐳同位素的氟化鐳分子的能級(jí) [41,42]。他們研究了氟化鐳分子能級(jí)與鐳同位素原子核大小的關(guān)系。
這個(gè)方法使得人們可以設(shè)計(jì)各種放射性分子來(lái)檢驗(yàn)CP破壞。通過(guò)激光光譜與原子理論的結(jié)合，可以獲得原子核大小和形狀的信息，從而檢驗(yàn)核結(jié)構(gòu)理論。這些方法還可以用于尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的效應(yīng)和暗物質(zhì)。
制版編輯 | 盧卡斯
