二十年前,美国能源部(DOE)布鲁克黑文国家实验室的一项实验发现:已建立的粒子物理理论与实际实验室测量之间存在神秘的不匹配,当研究人员测量一种名为µ子的亚原子粒子行为时,结果与理论计算不一致,对标准模型构成了潜在的挑战(标准模型是目前对宇宙运行方式的理解)。从那时起,世界各地的科学家一直在努力验证这种差异,并确定其重要性。

答案可能是坚持标准模型,该模型定义了所有已知的亚原子粒子以及它们是如何相互作用的,或者引入了一种完全未被发现的物理学可能性。一个多机构的研究小组(包括布鲁克海文、哥伦比亚大学,以及康涅狄格大学、名古屋大学和雷根斯堡大学,RIKEN)使用了阿贡国家实验室Mira超级计算机来帮助缩小对这种差异的可能解释,提供了一个新的精确理论计算,精炼了这个非常复杂难题的一部分。

这项研究由能源部科学办公室通过其高能物理和先进科学计算研究计划办公室提供部分资金,其研究成果已发表在《物理评论快报》期刊上。µ子是电子的较重版本,具有相同的电荷,正在讨论的测量是µ子的磁矩,它定义了粒子在与外部磁场相互作用时如何摆动。早些时候的布鲁克海文实验,被称为µg-2,检查了µ子与直径50英尺电磁铁存储环相互作用时的情况。

实验结果与理论预测值的偏差非常小,以百万分之几计算,但在标准模型领域,这样的差异足够大,以至于值得注意。研究的合著者、康涅狄格大学的物理学家托马斯·布鲁姆说:如果同时考虑到计算和测量中的不确定性,就无法判断这是一个真正的差异,还是仅仅是一个统计波动,因此,实验学家和理论家都在努力提高结果的精度。合著者之一、布鲁克海文实验室的物理学家井内拓指出:

自20世纪40年代以来,物理学家一直在试图通过比较精确的理论计算和精确的实验来理解µ子的反常磁矩,这一系列研究促使了粒子物理学的许多发现,并继续扩大我们在理论和实验方面的知识和能力范围。如果实验结果和理论预测之间的差异确实存在,那将意味着其他一些因素(可能是一些尚未发现的粒子)正在导致µ子的行为与预期不同,标准模型将需要修订。研究集中在异常中一个出了名的困难方面,涉及强力(强力是自然界中支配粒子相互作用的四种基本力之一)。

另外还有弱力、电磁力和万有引力,µ子计算中最大的不确定性来自通过强相互作用的粒子,即所谓的强子贡献。这些强子贡献是由一种叫做量子色动力学(QCD)的理论定义。研究人员使用了一种叫做格子量子色动力学的方法,分析强子的一种贡献,即光对光的散射。康涅狄格大学物理学家、论文合著者金陆昌(音译)表示:为了进行计算,模拟了一个小立方盒中的量子场,其中包含了光对光的散射过程。

在模拟中,可以很容易地得到数百万个时间点和空间点,研究小组使用这台安装在阿贡领导计算设施(ALCF)的超级计算机来求解量子色动力学的复杂数学方程,这些方程编码了所有可能与µ子发生的强相互作用。美国能源部科学用户设施办公室ALCF现在让Mira退役,为功能更强大的Aurora超级计算机腾出空间,Aurora超级计算机是一个预定于2021年到达的亿级系统。

研究的大规模并行系统通过非常快的网络连接了近50000个节点,使团队能够非常高效地运行大型模拟。在进行了四年的计算后,研究人员首次得出了强子光光散射对µ子反常磁矩的贡献,并控制了所有的误差。很长一段时间以来,许多人认为这项贡献(因为它是如此具有挑战性)可以解释这种差异。但在发现之前的预估与之相差不远,实际值无法解释这种差异。

与此同时,费米国家加速器实验室正在进行新版本的Muon g-2实验,旨在将实验方面的不确定性减少到原来的四分之一倍。这些结果将为目前正在进行的理论研究增添更多洞察。据我们所知,这种差异仍然存在,正在拭目以待,看看这些结果是否共同指向了新的物理学,或者目前的标准模型是否仍然是我们所拥有解释自然的最好理论。

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博科园|研究/来自:阿贡国家实验室

研究发表期刊《物理评论快报》

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DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.132002

20年前发现µ子与理论不一致,对标准模型构成了潜在的挑战!

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已建立的粒子物理理论与实际实验室测量之间存在神秘的不匹配,当研究人员测量一种名为µ子的亚原子粒子行为时,结果与理论计算不一致,对标准模型构成了潜在的挑战(标准模型是目前对宇宙运行方式的理解)。