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真空中的求索

2013-06-06 12:21 作者:苗千来源:三联生活周刊 2013年第23期
来自26家研究机构的100余名物理学家们正在准备利用Muon粒子进行一种新型的实验,实验结果所揭示的将是粒子物理学的未来。

位于伊利诺伊州的美国费米国家实验室

如果我们观察在粒子标准模型中列出的各种基本粒子,就会发现,起码对于我们的日常生活来说,其中的很多基本粒子是“没有用处”的。在人类生活中常见的物质,绝大多数都是由原子组成,原子核中的质子和中子,主要由“上夸克”和“下夸克”组成,而组成质子和中子夸克之间的强相互作用则由胶子传递,以保证原子核可以聚合在一起,在原子核的外层环绕着电子,再加上传递电磁相互作用的光子,人类日常生活的一切基本上就是由这几种基本粒子构成。

标准模型中所包含的传递弱相互作用的基本粒子在日常生活中并不经常能够感受到,而另外一种重要的相互作用——引力作用则没有被包含在标准模型之内。但是当我们观察标准模型中的61种基本粒子(其中也包含各种基本粒子的反粒子),其中最有意思的是在夸克和轻子区域,呈现了一种三个层次的“等级结构”。除了“上夸克”和“下夸克”,在下一个等级还包括“粲夸克”和“奇夸克”,之后还有“顶夸克”和“底夸克”。在这三个等级的夸克结构中,第一个等级的夸克最稳定,其后的夸克相对并不稳定,但是都具有和其他等级夸克所对应一致的电量,质量逐渐增大。

在标准模型中电子和中微子等12种轻子也呈现出了类似的三个等级的结构,其中最为常见的是电子和其所对应的电子中微子,在其后还有Muon粒子和其所对应的Muon中微子,Tau粒子和其所对应的Tau中微子。没有内在结构的基本粒子呈现出的这种等级结构让物理学家们感到迷惑,除了构成我们日常生活的基本粒子之外,在这种结构中其他等级的基本粒子相对来说不够稳定,很容易发生衰变(中微子则会发生振荡)。

人们对于Muon粒子本质的认识也经历了一个曲折的过程。1936年,美国科学家卡尔·安德森(Carl Anderson)和塞斯·内德梅耶(Seth Neddrmeyer)在研究宇宙射线的时候发现了Muon粒子,他们发现这种粒子在磁场中的偏转方向和电子一样,因此也是带有负电,但是偏转角度和电子差别很大,说明其质量远高于电子。最初,科学家们命名它为Muon“介子”,意思说它是质量介于电子和质子之间的一种粒子。随后科学家们相继发现了其他种类的介子,也发现了Muon介子和其他介子的不同。Muon介子并不参与强相互作用,同时,它不是由两个夸克组成,也没有更复杂的内部结构,是一种基本粒子。因此Muon粒子被取消了“介子”的名称,成为Muon粒子,如今人们对于“介子”的定义也相应地改变了。

美国物理学家卡尔·安德森(左)和阿瑟·康普顿

如今人们认识到,Muon粒子属于轻子的一种,它和电子具有相同的电量,它在标准模型中轻子的等级里比电子高出一级,因此质量比电子高,大约是电子的207倍。这种粒子主要来自高能宇宙射线(主要是质子)和地球大气层相撞后的副产品。它的生命大约只有2.2微秒,之后这种基本粒子将会衰变为一个电子和两个不同种类的中微子。现在,这种基本粒子又一次成为粒子物理学家们研究的焦点,因为它有可能为我们指出粒子物理学发展的未来。

来自26家研究机构的100余名物理学家们正在准备利用Muon粒子进行一种新型的实验,这个计划中的实验名为Muong-2,它将更加仔细地研究Muon粒子的特性,但是实验结果所揭示的将是粒子物理学的未来——物理学家们将如何超越标准模型,寻找到新的基本粒子。

为了进行实验,这些物理学家首先要做的是想方设法把一个17米多宽的粒子存储环从美国能源部位于纽约的布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)运送到位于伊利诺伊州的费米国家实验室(Fermi National Laboratory),其间距离有5100多公里。需要运输的粒子存储环,是一个由钢和铝混合建造的圆形磁体,里面还布有超导线圈,这个装置是Muong-2实验的核心器件,是由布鲁克海文国家实验室在20世纪90年代建造的。

Muong-2实验的发言人、来自波士顿大学的物理学家李·罗伯茨(LeeRoberts)说,把这个电磁体从纽约用卡车运输到伊利诺伊,比重新建造一个新设备“省了十倍的力气”,但是这个装置不能被拆解,只能通过卡车,用每小时十几公里的速度在夜间运输,预计从2013年6月初开始,直到7月末才会到达位于芝加哥郊区的费米国家实验室。

想了解这个实验的目的,要从g-2的意义说起。Muon粒子大体上相当于一个更重的电子,与电子相同,它也带有负电荷,并且拥有1/2的自旋,也就是说,一个Muon粒子相当于一个微小的旋转着的磁体。g在某种意义上,代表着这种带电,拥有1/2自旋的基本粒子的磁体与其旋转的比率——旋磁比。根据相对论性量子力学的预测,g的数值应该为2,但是从20世纪40年代以来,物理学家们在精确测量Muon粒子旋磁比的时候发现,g的数值并不是精确的等于2,而是有大约1%的误差。因此,g与理论值的差距:g-2被称为“反常磁矩”,根据现代物理学的解释,反常磁矩的出现与在真空中出现的“虚拟粒子”和Muon粒子的相互作用有关。

根据量子力学的描述,在真空中会出现各种虚拟粒子对,它们短暂的出现之后又相互湮灭,但是这些虚拟粒子与Muon粒子之间的相互作用却可能被探测到。意识到了这一点,物理学家们就可以通过精确测量Muon粒子的反常磁矩来探测真空中出现的虚拟粒子。在这之前最精确的Muon反常磁矩测量就是在美国布鲁克海文国家实验室进行的,那里的物理学家们测量了大约1亿个Muon粒子,这个在2001年完成的实验发现实验结果与理论预测存在着差异,但是由于实验精度的问题,这个结果还不能被称之为一个科学发现。因此,这一次费米国家实验室将继续测量Muon粒子的反常磁矩。这一次,费米国家实验室可以制造出数量更多、纯度更高的Muon粒子束,并且实验精度相比于布鲁克海文国家实验室也将提高4倍,这将是人类进行的最精密的实验之一。

在费米国家实验室,大量的Muon粒子将在粒子加速器中通过碰撞产生。在粒子加速器中,大量的质子经过加速之后,每秒钟进行12次碰撞,这种碰撞将粉碎质子,产生大量的Pion介子,Pion介子之后又将会迅速衰变成为Muon粒子。Muon粒子束将会被导入有着外加强磁场的粒子存储环中。在这里,Muon粒子将会被加速到将近光速,根据狭义相对论“钟慢尺缩”的效应,相当于Muon粒子的生命被延长,大约可以存在64毫秒,在这段时间内,物理学家们将会仔细测量它们的反常磁矩。

当Muon粒子处在一个外加磁场中时,就像一个罗盘一样,它会试图使自身的磁场与外部的磁场指向同一个方向。但是因为自身的旋转阻止它改变磁场方向,就会出现进动效应,这种效应会因为虚拟粒子的存在而发生改变。根据粒子标准模型的预测,给出了Muon粒子异常磁矩的精确数值,但是在此前布鲁克海文国家实验室的实验中,就已经发现了实际数值可能与标准模型给出的数值不相符合,如果这个结果在精度更高的费米国家实验室得到验证,那么就说明在自然界中可能还存在着目前人们还不了解的基本粒子或是相互作用,而且这种基本粒子或者基本相互作用并没有被包含在标准模型之中,这将开启粒子物理学研究的一扇大门。

费米国家实验室的Muong-2实验预计将在2016年开始收集数据,物理学家们盼望着能够通过这个实验打破此前辛苦建造完成的粒子标准模型,而正是通过这样的不停努力,我们才能实现物理学的进化。

(本文参考了费米国家实验室网站的相关内容)

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