2021年物理各领域会有哪些进步？| istockphoto.com，作者Alena Butusava
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春节之际，知识分子邀请复旦大学物理系教授时宇点评2021年物理学各领域的进展。今天，它发表了一个关于粒子物理的部分，标题是编辑加上的。看完之后，你有什么感受？欢迎在评论区留言讨论。作者|时宇(复旦大学物理系教授)
●●●2012年希格斯粒子发现后，粒子物理的标准模型完全建立。但中微子质量、物质-反物质不对称和宇宙中的暗物质都显示出超越标准模型的迹象。目前世界上能量最高的对撞机还没有给出直接的线索，高精度测量仍然是寻找标准模型之外的粒子物理的重要途径。在标准模型的范围内，也有一些参数值得精确测量。那么，在过去的一年里，有哪些超越标准模式的迹象呢？在经典电动力学中，磁矩与角动量成正比，比例系数称为旋磁比。量子力学中有一个内禀角动量，叫做自旋，它也导致磁矩，但是比例系数是在旋磁比的基础上乘以一个叫做G因子的系数。对于电子和缪斯，g=2。但是在量子场论中，由于其他量子场的相互作用，造成了很多虚粒子，使得电子和子木的G都大于2，这就是所谓的反常磁矩。历史上，电子的反常磁矩在量子电动力学的重整化中起了作用。μ子的质量是电子的一百倍以上，所以它的反常磁矩更大。g的精确值可以根据粒子物理学的标准模型计算出来。标准模型是量子场论，包括电磁、弱相互作用和强相互作用以及已知的基本粒子。因此，g-2是对标准模型的精确测试，也是寻找标准模型之外的迹象的一种方式。20年前，布鲁克海文实验室的实验结果与标准模型的计算结果相差百万分之几，是实验结果标准差σ的2.7倍，记录为2.7σ。后来理论计算的精度不断提高。2020年，实验-理论差值达到3.7σ。最近，费米实验室发布了其新的g-2实验结果，证实了20年前的实验结果。实验与理论的差异达到了4.2σ [1，2]。σ的倍数越大，结果越可信。费米实验室实验中使用的磁体与布鲁克海文实验室最初使用的磁体相同，但他们的子木束更纯净、更强。一个关键是精确测量磁场。他们使用了数百个核磁共振传感器。这个结果是基于2018年实验的分析，2019年和2020年实验的分析也在进行中。据说以后实验和理论的差别可以达到7σ。大约10年后，J-PARC的E34实验也将使用不同的技术来测量g-2。在将差异归因于超出标准模型之前，应完善标准模型中的理论计算。更难计算的是强子的真空极化过程，这需要格点规范理论。一个格点规范理论小组指出，他们的计算结果和实验结果相差只有十亿分之一，所以标准模型看起来没问题[3]。然而，这需要其他小组进行独立测试。轻子普适性被破坏的可能性在标准模型中，电子和μ子是不同味道的轻子。它们与希格斯粒子的相互作用是不同的，但它们与其他粒子的相互作用一样，被称为轻子普适性。如果子木的反常磁矩来自于超越标准模型，可以看作是轻子味普适性的破坏，即不同味的轻子之间的差别大于标准模型中的差别。2021年，又有其他实验论文提出轻子味的普适性被破坏[4]。CERN的LHCb实验表明，当B夸克衰变为S夸克，产生正负轻子对时，正负μ子对的数量明显多于正负电子对，相差3.1σ [4，5]。在CERN CMS的正负质子碰撞实验中，观测到的高能正负电子比正负子木多[6，5]。之前还有其他迹象。B夸克衰变为S夸克的关联和衰变率与标准模型预言的相差超过5σ；b夸克衰变为C夸克，在产生轻子和中微子的过程中，明显比电子或μ子多了陶器(另一种味道)，差达到3σ；一些β衰变表现出所谓的Cabibbo角异常，达到3σ，这也表明子木和电子之间的差异大于标准模型结果。轻子味普遍性的破坏需要越来越精确的测量来确定。中微子振荡探测的模型应该修改。实验中观察到的中微子有确定的味道，用量子力学语言称为味道本征态(在某某本征态中，某某是确定的)。每个味本征态是三个不同质量的本征态的叠加，所以中微子是振荡的。中微子振荡的测量是基于与核子的相互作用，但描述这种相互作用的理论模型尚未得到实验的直接验证。最近，美国杰弗逊实验室的CLAS和e4ν进行的电子-核子散射实验发现，电子-核子相互作用需要修正。因为中微子-核子相互作用是类似的，所以也需要修改[7，8]。在暗物质宇宙中寻找引力现象，说明暗物质和暗能量应该存在，只是没有被直接观测到。暗物质的证据主要来自星系的旋转行为、引力透镜、星系形成等等。暗能量的证据主要来自宇宙的加速膨胀。一般认为，宇宙中所有物质能量只有5%是普通物质(其组成不超过粒子物理学标准模型中的基本粒子)，27%是暗物质，68%是暗能量。寻找暗物质和暗能量是科学的前沿课题。人们提出了各种暗物质假说，并试图在实验室中寻找。从2013年开始，基于智利布兰科望远镜的“暗能量巡天”合作组绘制了所有星系图，以提供宇宙中物质分布的信息，确定可见物质和暗物质在宇宙中的分布。2019年完成了6年的观测。最近，他们用一个理论模型分析了第一年的观测数据，描述了几个测量关系:星系的分布，形成星系团的星系的分布，以及遥远星系的光被地球附近的物质扭曲的情况。他们对可见物质和暗物质的密度和涨落给出了新的限制，并将取值范围缩小了20% [9，10]。20年前，意大利的DAMA/LIBRA实验声称有暗物质粒子的迹象。最近西班牙类似的ANAIS实验(基于掺铊碘化钠闪烁体)发表了三年实验数据的分析，DAMA DAMA/LIBRA的结果相差2.7σ [11，12]。预计明年将达到3σ。弱相互作用质量粒子(WIMP)是暗物质的热门候选粒子。轴是另一种，最初是由Vilcek和Weinberg(以Vilcek命名)独立提出来解释强相互作用不破坏CP对称性。去年，意大利Gran Sasso的XENON1T实验探测到一个信号，这个信号不能简单地解释为噪声(285个事件，比正常的232个噪声事件多3.5σ)，但电子-光子比大于弱相互作用质量粒子(WIMPs)引起的信号。他们指出有三种可能:来自太阳的粒子、不同于WIMPs的暗物质、放射性污染。去年，其他作者发表了几个理论解释，包括轴子、WIMPs、加速冷暗物质、非标准中微子等等。华盛顿大学的轴子暗物质实验(ADMX)旨在寻找轴子。最近基本排除了某个模型中3.3 ~ 4.2微电子伏之间的轴子(改变探测器的敏感能量区)，也严重限制了其他模型中的轴子性质[13，14]。PandaX-4T实验位于四川金平山下3000米处，由上海交通大学领导，使用氙探测器搜索WIMPs。去年7月，他们发布了最新的更新结果，严格限制了40GeV WIMPs与核子的无自旋相互作用。目前实验组正在进一步降低放射性引起的背景噪声，未来有望进一步限制WIMPs和轴子[15，14]。PandaX-4T |
图源：https://pandax.sjtu.edu.cn/pandax4随着寻找WIMPs的探测敏感度不断提高，正在逼近 “中微子地板”，即WIMPs能被探测的下限。中微子和假设存在的WIMPs都与原子核散射，迹象类似，因此如果到了探测器的 “中微子地板”，WIMPs的信号就淹没于中微子的信号中。这限制了何种暗物质粒子能被发现。但是中微子地板取决于中微子通量的不确定性，可以通过增加事件数来克服。最近悉尼大学的O’Hare改进了中微子地板的定义，使得统计上更有意义，而且不依赖于具体实验参数。在新定义下，为了克服中微子地板，质量中等的WIMPs的散射率保持不变，质量太大或太小的WIMPs则需要更大的散射率 [16,17]。另一方面，因为中微子地板来自一种特殊的中微子过程，叫做相干弹性中微子-核子散射，探测器的灵敏度逼近中微子地板使得这种信号得以被探测，提供了研究新物理的新机会 [11] J. Amaré等人，“ANAIS-112三年暴露的年度调制结果”，《物理评论》D 103，102005 (2021年)。。2021年还有探测暗物质的新探测方法和新途径发表。芝加哥大学的Dixit等人提出，用超导量子比特探测某些暗物质（暗光子或轴子）转变来的光子，比其他探测手段更敏感。在这个方法中，超导量子比特检测微波腔中的光子数。他们的实验已经排除了某些参数区的暗光子。经过改装，增加磁场，这个装置还可以用于探测轴子 [19,20]。引力波探测器和量子增强的干涉仪可以用于暗物质探测。英国Cardiff大学的Grote等人报告了用位于德国Hannover的引力波探测器GEO600寻找标量场暗物质的结果。理论上，这样的暗物质来源于宇宙早期。GEO600使用压缩光，超越了量子颗粒噪声极限。而且，在所有的引力波探测器中，GEO600对于分束器处的光学相位差最敏感，因此最适合于暗物质探测。他们已经得到了一些结果。具体来说，给出了标量场暗物质作为质量函数的耦合常数的上限，将上限改进了6个数量级 [14] Marric Stephens，收紧两种暗物质的网，2021年12月23日，物理学14，s164。。斯坦福直线加速器实验室的Leane和俄亥俄州立大学的Smirnov提出，可以通过系外行星的温度来揭示暗物质的效应，从而得到暗物质在星系中的分布。在某些模型中，银河系处于一个暗物质的球形晕中，暗物质粒子被天体上的电子或核子散射后，可以被天体的引力吸引住，而某些暗物质粒子湮灭后产生光子或其他粒子，因此对天体有加热效应。今后5年，人类有望发现几万颗系外行星，这些系外行星可以充当能量在GeV以下的暗物质探测器。刚刚发射的韦布太空望远镜可以探测到被加热的气态巨行星、褐矮星和无恒星的流浪行星 [22,23]。用现在疫情中熟悉的语言说，暗物质检测结果迄今是阴性。会不会暗物质其实不存在，只需要修改引力理论，就可解释那些视为暗物质证据的引力现象？MOND（修改了的牛顿动力学）理论就是这样的无暗物质理论，最初是为了解释星系旋转数据而提出，后来经过相对论推广后，也能解释引力透镜现象。但它原来不能自洽解释所有的现象，特别是宇宙微波背景辐射这个非常重要的现象。最近，捷克科学院的Skordis和Zlosnik提出一种MOND模型，能在与引力现象融洽前提下解释宇宙微波背景辐射 [24,25]。一百多年前，物理学家试图找到以太而未果，后来爱因斯坦提出狭义相对论，以太假说被抛弃。历史会不会重演？会不会将来一个全新的理论使得暗物质（或者暗物质和暗能量）假说也被抛弃？我们只能让物理学子弹再飞一些年，拭目以待。粒子物理和核物理的其他进展电荷共轭（C）变换是指在理论中，将粒子变成它的反粒子。宇称（P）变换指将空间方向变为反方向。标准模型中，在CP联合变化下，弱相互作用微弱地变化了，叫做CP破坏。CP破坏导致中性D介子及其反粒子是味本征态，是不同质量本征态的叠加态。因此它们之间能发生振荡，或者说混合。振荡频率取决于两个质量本征态的质量差。最近LHCb测量出这个质量差是3X10-39克 [26,27]。如果CP变换的同时，也联合进行时间反转（T）变换，那么物理规律保持不变，叫CPT定理。用反质子和正电子组成反原子，可以在比基本粒子更大的尺度检验CPT定理，而且检验的精度也非常高。1995年，CERN曾经制备了11个反氢原子，但是每个反原子只存在了几十纳秒。现在CERN的ALPHA合作组可以很平常地制备1千多个反氢原子，并能存在很多小时。他们用磁场约束住反质子和正电子的混合体，制备出反氢原子，再用更复杂的磁场囚禁住，用多普勒冷却的方法进行激光冷却。他们以1/1012的精度测量能级之间的跃迁频率，与氢原子一样，验证了CPT定理 [28,29]。质子冷却方面，CERN的base实验组借助于相距9厘米的离子，用共同冷却的方法，将一个质子的温度降低了85%。这个方法有望用于反物质 [30,31]。反中子和超子通常较难获得，中科院高能物理所的苑长征和特拉维夫大学的Karliner指出，巨量的反中子和超子可以从J/ψ介子的衰变获得。比如，100亿J/ψ时间可以产生8百万个反中子 [32,33]。洛斯阿拉莫斯UCNτ实验通过用磁场囚禁超冷种子，将中子平均寿命的测量精度比原来提高了一倍。他们测定的中子平均寿命是877.75秒 [34,35]。原子核中的核子如果足够多，形成库珀对，类似超导或超流配对。众所周知，库珀对可以在两块超导体之间隧穿，叫做约瑟夫森效应。劳伦斯利物浦试实验Potel等人证实，重离子碰撞实验中，碰撞的原子核之间发生配对中子的约瑟夫森效应 [36,37]。CP破坏导致在分子中产生电偶极矩和电荷分离，因此放射性分子可以用来敏感地测量CP破坏 [31] Bohman，m .等人,《自然》,第596期，第514-518页(2021年)。。加州大学Santa Barbara分校Fan等基于激光的实验给出了产生和识别放射性分子的新方法，用电场囚禁激光冷却的镭离子，再与甲醇蒸汽混合，反应产生放射性分子 [32] Erika K. Carlson，利用现有和未来的设施产生反中子和超子，2021年6月30日，物理学14，s85。加州理工大学的Yu和Hutzler的理论分析表明，这个分子很适用于研究对称破缺和寻找超越标准模型的物理 [33] C. Z. Yuan和M. Karliner，“来自超级J/y工厂的反中子和超子的聚宝盆，用于下一代核和粒子物理高精度实验”，《物理评论》，。127, 012003 (2021).34 Gonzalez，F. M .等人,《列特物理学评论》。127, 162501 (2021).。麻省理工学院的Udrescu等人测量了不同镭同位素的氟化镭分子的能级 [41,42]。他们研究了氟化镭分子能级与镭同位素原子核大小的关系。这个方法使得人们可以设计各种放射性分子来检验CP破坏。通过激光光谱与原子理论的结合，可以获得原子核大小和形状的信息，从而检验核结构理论。这些方法还可以用于寻找超越标准模型的效应和暗物质。参考资料:[1] B. Abi等人(μ介子g-2合作)，“0.46 ppm的正μ介子异常磁矩的测量”，列特物理评论。126, 141801 (2021).[2] Priscilla Cushman，μ介子对标准模型不断升级的挑战，物理学14，54，2021年4月7日。
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卢卡斯
