最大的粒子物理实验之一背后的科学家说，一个微小的摆动粒子可能即将揭示自然界的第五种力。
芝加哥附近的费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory，简称Fermilab)的物理学家们发现了更多的证据，证明介子(一种亚原子粒子)的摆动远远超出了应有的范围——他们认为这是因为一种未知的力量在推动它。
该结果建立在2021年进行的先前实验的基础上，但产生了四倍的数据，实验不确定性降低了两倍。如果这些发现是正确的，围绕这些测量的理论争议可以被克服，它们代表了物理学上50年来从未出现过的突破，当时解释亚原子粒子的主导理论得到了巩固。
换句话说，介子的微小摆动——也就是它的磁矩——有可能动摇科学的基础。
“我们真的在探索新的领域，”费米实验室的资深科学家布兰登·凯西(Brendan Casey)在一份声明中说，他参与了这项名为μ子g-2的实验。“我们正在以比以往任何时候都更高的精度确定μ子磁矩。”
介子有时被称为“胖电子”，它与电子相似，但比电子重200倍，而且放射性不稳定——仅仅在百万分之一秒内就会衰变成电子和微小的、幽灵般的、不带电的粒子——中微子。μ子还有一种叫做自旋的特性，这使得它们的行为就像微小的磁铁，当它们在磁场中像微型陀螺仪一样摆动。
为了研究μ子的摆动，费米实验室的物理学家们让这些粒子以接近光速的速度在零下450华氏度(零下268摄氏度)的超导磁环周围飞行——由于相对论性的时间膨胀，这种速度将μ子短暂的寿命延长了大约3000倍。
通过观察介子在直径50英尺(15米)的环上旋转数千圈时的摆动情况，物理学家收集的数据表明，介子的摆动远远超过了应有的水平。
这项研究的科学家说，这种解释是标准模型(一套解释所有亚原子粒子的方程，自20世纪70年代中期以来一直保持不变)尚未解释的东西的存在。
这种神秘的东西可能是一种完全未知的自然力(已知的四种力是引力、电磁力和强核力和弱核力)。或者，它可能是一种未知的外来粒子，或者是新维度或时空未被发现的方面的证据。
但无论从哪个角度出发，物理学家的数据都表明，某种未知的东西正在推动和拉扯环内的μ子。
然而，全面确认将需要更长的时间。为了尽可能确定，物理学家将使用g-2实验2018年至2024年期间收集的所有数据:目前的结果仅使用2019年和2020年的数据。其次，他们需要等待标准模型的理论预测。
目前有两种理论方法来计算在标准模型下介子的摆动。这两种方法产生了相互矛盾的预测。其中一些计算，包括与2021年g-2实验结果同一周发表的一项计算，对μ子磁矩的理论不确定性给出了更大的值，这可能会剥夺实验的物理突破意义。
另一个实验，使用来自俄罗斯新西伯利亚的CMD-3加速器的数据，似乎也发现介子在正常范围内摆动，但这个实验直接与之前的加速器运行相矛盾，后者暗示了相反的结果。
费米实验室的研究人员希望完整的结果能够足够精确地给出一个清晰的读数，他们预计在2025年准备好。
科学家们已将他们的研究成果提交给《物理评论快报》(Physical Review Letters);调查结果的预印本可以在这里找到。
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