发现第五种自然力？神秘亚原子在磁场中的摆动不服从物理定律

位于伊利诺伊州巴达维亚的美国能源部费米实验室的科学家们发现，与电子相似的亚原子粒子μ介子在磁场中的摆动无法用粒子物理学的“标准模型”来解释，这可能暗示了存在某种未知的第五种自然力。

据报道，费米实验室的科学家们在近日提交给《物理评论快报》的论文中详细介绍了他们的发现。

费米实验室的甜甜圈形超导磁性存储环。

论文作者、费米实验室的资深科学家布兰登·凯西（Brendan Casey）表示，研究小组发现μ介子（读作“mew-on”）正在与某种我们不知道的东西发生相互作用，它可能是任何东西，如新粒子、新自然力、新维度、新的时空特征，“任何东西都有可能”。

凯西认为，这些结果暗示了“时空的新特性”或违反了“洛伦兹不变性”，即物理定律在任何地方都是相同的原则。

μ介子在超导磁性存储环中循环。

据悉，几个世纪以来，科学家们一直试图研究“亚原子”层面发生了什么，其中涉及比原子更小的粒子。

原子是我们可以看到和触摸到的物质的基本单位，原子结合形成分子，进而形成固体、气体和液体。

物理学家通过20世纪70 年代初提出的“标准模型”（Standard Model）理论来描述宇宙如何在这一基本的亚原子层面上运行。

该理论认为，宇宙万物都是由一些被称为“基本粒子”的基本构件构成的，并受四种力即强核力、弱核力、电磁力和引力的支配。

科学家们发现，μ介子的摆动速度与根据标准模型预测的速度相差很大。

经过20世纪的发展，该模型已成为一种久经考验的物理学理论，并精确地预言了各种现象。

但是，该模型无法解释现代物理学中一些最深奥的谜团，包括暗物质是由什么构成的，以及宇宙中物质和反物质的不平衡。

为了帮助解开其中一些谜团，研究人员一直在寻找与标准模型预期不同的粒子行为。

最近在费米实验室进行的实验被称为“μ介子g-2”，研究了μ介子在磁场中移动时的摆动。

μ介子是宇宙射线撞击地球大气层时自然形成的，它们具有磁性，在强大的磁场中旋转时会摆动。

μ介子和电子一样，都有一个微小的内部磁铁，使其像旋转陀螺的轴一样摆动，或者严格地说，是“前冲”。

费米实验室的实验是在摄氏零下 268度的超低温条件下进行的，科学家们将μ介子束射入直径为 50 英尺（15米）的甜甜圈形超导磁性存储环中。

μ介子以接近光速在磁环中循环数千次，当μ介子旋转时，它们与其他亚原子粒子相互作用，这些粒子就像微小的“舞伴”，改变了它们的摆动。

环内的探测器让科学家们能够确定μ介子“前冲”的速度。

与 2021 年的结果类似，实验中测得的摆动速度与根据标准模型预测的速度相差很大。

μ介子违反物理定律的奇特摆动，可能意味着存在未知的第五种自然力。

这项新工作复制并改进了此前在纽约布鲁克海文国家实验室进行的实验，其2006年的结果首次表明μ介子的行为与标准模型不同。

随后2021年在费米实验室进行的测量更加确定地强化了这一结果，但新的结果更进一步。

2021年的结果同样显示了异常摆动，但新结果是基于四倍的数据量得出的，这增强了人们对研究结果的信心。

研究小组仍在努力整合另外三年的数据，以便对μ介子的摆动情况进行最终测量。

这项研究的合著者、英国伦敦大学学院的丽贝卡·奇斯莱特（Rebecca Chislett）博士表示，研究结果进一步加强了研究团队此前对μ介子反常摆动的精确测量，在检验标准模型和深入探索亚原子世界方面达到了“前所未有的精确度”。

文/南都记者 陈林