从介子的磁矩来证明新物理学？根据新的理论计算，也许不是

　　当一项实验的结果与当时最好的理论所做的预测不一致时，就一定是哪里出了问题。
　　15年前，布鲁克海文国家实验室的物理学家们发现了一些令人费解的现象。介子，一种亚原子粒子，正在以出乎意料的方式运动，这与理论预测不相符。这个理论是错的吗？实验取消了吗？或者，这是新物理学的证据吗？
　　从那以后，物理学家们一直试图解开这个谜团。
　　费米实验室的一个小组处理了实验方面的问题，并发布了证实原始测量结果的通告，但我和同事们采取了不同的方法。
　　我是一名理论物理学家，也是布达佩斯马赛伍珀塔尔合作项目（BudapestMarseilleWuppertalcollaboration）的发言人和两名协调人之一。这是一场大规模的物理学家合作，他们一直在试图验证旧的理论预测是否错误。我们使用了一种新的方法来计算介子如何与磁场相互作用。
　　我的团队的理论预测不同于原来的理论，既符合旧的实验证据，也符合新的费米实验室数据。如果我们的计算是正确的，它就解决了理论和实验之间的差异，并表明自然界不存在一种未被发现的力量。
　　我们的研究结果发表在《自然》杂志上，与新的实验结果同一天发表。
　　物理学的标准模型是迄今为止最精确的宇宙理论。（图片来源：CushWikimediaCommons）
　　介子和标准模型
　　介子比电子更重且并不稳定，它们就在我们身边。例如，当宇宙射线与地球大气层中的粒子相撞时，就会产生介子，它们能够穿过物质。研究人员已经利用它们探测了火山，埃及金字塔等的内部结构。
　　介子和电子一样，带有电荷并产生微小的磁场。磁场的强度和方向称为磁矩。
　　宇宙中的一切从原子如何形成到你的手机如何工作，再到星系如何运动几乎都可以用四种相互作用来描述。你可能对前两个很熟悉：重力和电磁学。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，这种力将原子核中的质子和中子结合在一起。物理学家称这个框架（减去重力）为粒子物理学的标准模型。
　　标准模型的所有相互作用都对介子的磁矩有所贡献，而且每个相互作用都以多种不同的方式产生作用。物理学家非常精确地知道电磁和弱相互作用是如何做到这一点的，但要确定强相互作用是如何影响介子磁场的，已被证明是极其困难的。
　　介子的磁场已被证明难以预测。（图片来源：NewtonHenryBlackWikimediaCommons）
　　有关磁的谜团
　　在强相互作用对介子磁矩的所有影响中，最大且最难以精度计算的影响被称为领先阶强子真空偏振。
　　过去，为了计算这种效应，物理学家们使用了理论和实验相结合的方法。他们将从电子和正电子（即电子的对立面）之间的碰撞中收集数据，并用这些数据来计算强相互作用对介子磁矩的贡献。几十年来，物理学家们一直在使用这种方法来进一步完善这一估计。最新的结果出自2020年，物理学家们已经得出了非常精确的估计。
　　这种磁矩的计算方法是实验物理学家几十年来一直在测试的。最精确的实验结果来自15年前的实验。在布鲁克海文国家实验室，研究人员在粒子加速器中创造了介子，然后用一个50英尺宽（15米）的巨大电磁铁观察它们如何在磁场中移动。通过测量介子运动和衰变的方式，他们能够直接测量介子的磁矩。当布鲁海文2006年直接测量的介子磁矩比理论上的数据更大时，人们感到非常惊讶。
　　面对这种差异，有三种选择：要么理论预测不正确，要么实验不正确，要么正如许多物理学家所相信的那样，这是一种未知的自然力量的迹象。
　　到底是哪一个呢？
　　新理论
　　我和同事们选择了第一个：这个理论可能在某种程度上是错误的。所以，我们决定尝试找到一种更好的方法来进行计算和预测。我们的物理学家团队选取了最强相互作用最基本的基础方程，把这些方程放在一个时空网格上，同时尽可能多地求解它们。
　　这项技术有点像做天气预报。商业飞机在飞行途中，会测量地球上给定点的压力、温度和风速。类似地，我们把强相互作用方程放在时空网格上，然后将各个点的天气数据输入一台超级计算机，该计算机将所有数据结合起来，以预测天气的演变。我们的团队将强相互作用力放在网格上，并寻找这些磁场的演化。在天气预报中，收集数据的飞机越多，预测就越好。运用这个比喻，我们使用数十亿架飞机来计算最精确的磁矩，即在欧洲的多个超级计算机中心使用计算机处理数百万小时的时间。
　　我们的新方法对介子磁场强度的估计与布鲁克海文科学家测量的实验值非常接近。它基本上弥合了理论和实验测量之间的差距。如果实验无误，就证实了指导粒子物理学几十年的标准模型仍然正确，也并不存在无形的神秘力量。
　　费米实验室的实验，使用来自布鲁克海文的相同磁铁，测量了介子的磁矩，与布鲁克海文的实验结果相吻合。（图片来源：雷达哈恩费米实验室）
　　新的实验
　　但我和我的同事并不是唯一追寻这个谜团的人。其他科学家，比如芝加哥附近粒子加速器费米实验室的科学家们，选择了测试第二种选择：布鲁克海文的实验有误。
　　在费米实验室，物理学家们一直在继续布鲁克海文完成的实验，以测量更精确的介子磁矩。他们使用了更强的介子源，从而得到了更精确的结果，并与旧的测量结果几乎完全吻合。
　　费米实验室的结果有力地表明实验是正确的。我和我的同事所做的新的理论预测与这些实验结果都相吻合。虽然发现新物理学的线索可能是令人兴奋的，但我们的新理论似乎表明，这一次，标准模型是成立的。
　　但仍有一个谜：最初的预测和我们新的理论结果之间的差距。我和我的团队相信我们的结果是正确的，但这是科学界首次得出这样的结果。在科学的探索之路上，总是需要做其他的计算来证实或反驳它。
　　BY：ZoltanFodor
　　FY：JamesXu
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