物理学的标准模型是迄今为止最精确的理论。图源：Wikimedia Commons如果实验的结果和当下最好的理论得出的结论不同的话，那么一定有地方出了问题。十五年前，布鲁克海文国家实验室的物理学家发现了一些令人费解的现象。在该实验中，μ子（一种亚原子粒子）以一种不符合理论预测的方式运动。理论错了吗？实验出错了吗？或者——这听上去非常诱人——这是新物理学存在的证据吗？来自费米实验室的一个团队解决了实验方面的问题，并于2021年4月7日公布了结果，证实了最初的测量结果。但我和我的同事采取了不同的方法。我是一名理论物理学家，同时也是布达佩斯-马赛-乌珀塔尔合作组织（Budapest-Marseille-Wuppertal collaboration）的发言人和两位协调员之一。这个组织召集了大量一直在试图弄清“旧理论预测是错是对”的物理学家。我们用一种新的方法来研究μ子与磁场的相互作用。我们的理论预测与最初的理论不同，而且符合曾经的实验证据以及费米实验室得到的新数据。如果我们计算对了，那么实验和理论的分歧就得以解决，并且证明那门“未被发现的新科学”并不存在。我们的结果于2021年4月7日（费米实验室新测量结果发布的同一天）发布在《自然》上。粗略来说，μ子与电子相似，但更重、不稳定。μ子遍布我们周围，例如，宇宙射线与地球大气层中的粒子碰撞时就会产生μ子。它们能够穿透物质，研究人员利用它们来探测巨型火山、埃及金字塔等难以接近的结构内部。μ子和电子一样，拥有一个单位电荷，可以产生微弱的磁场。磁场的强度和方向称为磁矩。宇宙中几乎所有的东西，从原子的构造到手机的工作方式，再到星系的运动，都可以用四种相互作用来描述。你可能对前两种很熟悉：引力和电磁作用。第三种是弱相互作用，这是造成放射性衰变的原因。最后是强相互作用，即把原子核中的质子和中子结合在一起的力。物理学家把这个框架（minus gravity）称为粒子物理学的标准模型。标准模型的所有相互作用都会影响μ子的磁矩，而且每种相互作用都有多种不同的影响方式。物理学家非常准确地知道电磁和弱相互作用是怎么样影响μ子磁矩的，但是事实上，很难确定强相互作用对μ子磁场的影响方式。
μ子的磁场已被证明是很难预测的。图源：Newton Henry Black/Wikimedia Commons强相互作用对μ子磁矩的所有作用中，效果最大的、同时也是最难精确计算的被称为领头阶的强子真空极化。过去，为了定量计算这种作用，物理学家使用了一种糅合实验和理论的方法。他们收集电子与正电子（电子的反粒子）碰撞的数据，并用这一些数据来计算强相互作用对μ子磁矩的作用。几十年来，物理学家一直在使用这种方法来加强完善估计值。最新的结果来自2020年，得出了非常精确的估计值。几十年来，实验物理学家们一直在测试磁矩的计算。直到2021年4月7日，最精确的实验结果“15岁”了。为了进行这项测量，在布鲁克海文国家实验室，研究人员在粒子加速器中制造了μ子，然后观察了它们如何通过一个15米宽的巨大电磁铁所产生的磁场。经过测量μ子的运动和衰变方式，他们可以直接测量出μ子的磁矩。令人惊讶的是，2006年布鲁克海文实验室直接测量出的μ子磁矩比理论上的预期值大。面对理论值和实验测量值的差异，我们有三个选择：要么理论预测不正确，要么实验出了问题，要么正如许多物理学家相信的那样，这是新科学被发现的征兆。我和同事们选择第一个：理论在某个地方出了问题。因此，我们决定找到更好的预测方法。我们团队的物理学家把强相互作用最基本的方程放到时空网格上，一次求解尽可能多的方程。这样的解决方法有点像天气预报的方法。商用飞机在飞行过程中，会在给定点测压、温度、风速。相似地，我们在时空网格上运用强相互作用的方程。之后各个点的天气数据被导入超级计算机，计算机将基于所有数据来预测天气的变化。我们团队把强相互作用力放在时空格网上，并研究这些场的变化。搜集的数据越多，预测便会更好。我们搜集了大量数据以得到尽可能精确的磁矩计算值，计算过程需要欧洲多个超算中心数百万个计算机处理数小时。我们的新方法对μ子磁场强度的估计值与布鲁克海文科学家测量的实验值非常接近。它从本质上弥合了理论和实验测量之间的鸿沟，如果是真的，那么几十年来指导粒子物理学的标准模型的确是货真价实的。
费米实验室的实验中使用了来自布鲁克海文的同一块磁铁，测出了几乎相同的μ子磁矩。图源：Reidar Hahn/Fermilab但我和我的同事并不是唯一在努力探索这个谜团的人。其他科学家，比如费米实验室（芝加哥附近的一个粒子加速器）的科学家，选择测试第二种选择：实验出错了。为得到更精确的结果，物理学家在费米实验室一直持续着布鲁克海文实验室的实验，并采用了更密集的μ子源。费米实验室的测量值和以前的结果几乎完全一样！费米实验室的结果有力地证明实验测量并没有出错。我和我同事得到的新的理论预测与这些实验结果相符。尽管新物理学听上去很让人兴奋，但标准模型仍就保持着其地位。我和我的团队都相信我们的结果是正确的，但我们的结果尚属首个仍需其他的计算以支持或推翻我们的结果。撰文：Zoltan Fodor，宾州州立大学的物理学教授以及计算和数据科学研究所（ICDS）研究员
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