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看不太懂,但大受震撼:2021年物理学的那些进展

2021年物理学各领域都有哪些进展?| istockphoto.com,by Alena Butusava

编者按

尽管新冠疫情肆虐,科学的脚步没有因此而停下,全世界的物理学家继续为物理学大厦添砖加瓦。在春节来临之际,《知识分子》邀请复旦大学物理学系教授施郁评介2021年物理学各领域的进展,以下是他的观察。看过之后,您有哪些感受,欢迎在评论区留言讨论。

撰文 | 施郁(复旦大学物理学系教授)

2012年希格斯粒子发现后,粒子物理标准模型完全确立。但是中微子质量、宇宙中的物质-反物质不对称和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并没有给出直接的线索,高精度测量依然是寻找超越标准模型的粒子物理的重要途径。在标准模型范畴之内,也有一些参数值得精确测量。那么,过去这一年,有哪些超越标准模型的迹象显现呢?

 

1、缪子反常磁矩

经典电动力学中,磁矩正比于角动量,比例系数叫做旋磁比。量子力学中,有一种内禀角动量,叫自旋,也导致磁矩,但是比例系数在旋磁比基础上,还要再乘以一个叫做g因子的系数。对于电子和缪子来说,g=2。

但在量子场论中,由于其他量子场的相互作用,导致很多虚粒子,使得电子和缪子的g都大于2,叫做反常磁矩。

历史上,电子反常磁矩在量子电动力学重整化中发挥过作用。缪子的质量是电子的一百多倍,因此它的反常磁矩更大。

g的准确数值可以根据粒子物理标准模型计算。标准模型是包含电磁、弱和强三种基本相互作用和已知基本粒子的量子场论。因此g-2是对标准模型的精确检验,是寻找超越标准模型的迹象的一个途径。  

20年前,布鲁克海文实验室的实验结果与标准模型计算结果相差百万分之几,是实验结果的标准偏差σ的2.7倍,记作2.7σ。后来理论计算的准确性不断提高。2020年,实验-理论差异达到3.7σ。

最近,费米实验室发布了它新一代g-2实验的结果,证实了20年前的实验结果,实验-理论差异达到4.2σ [1,2]。σ前面的倍数越大,说明结果越可信。

费米实验室的实验所用的磁铁正是最初布鲁克海文实验室所用的磁铁,但是他们的缪子束更纯更强。一个关键在于精确测量磁场,他们用了几百个核磁共振感应器。 

这个结果基于对2018年实验的分析,对2019和2020年实验的分析也在进行中,据称,实验-理论的差异将来可以达到7σ。约10年后,J-PARC的E34实验还将用不同的技术测量g-2。

在将差异归结为超出标准模型之前,还要完善标准模型内的理论计算。较难计算的是强子真空极化过程,需要用格点规范理论。

有一个格点规范理论组指出,他们的计算结果与实验结果的差别只有几十亿分之一,因此标准模型似乎没问题 [3]。但是这还需要有其他组的独立检验。

 

2、轻子味普适性破坏的可能性

在标准模型中,电子和缪子是不同味的轻子,它们与希格斯粒子的相互作用不一样,但是与其他粒子的相互作用一样,叫做轻子味普适性。 

如果缪子反常磁矩来源于对标准模型的超越,可以看成对轻子味普适性的破坏,也就是说,不同味的轻子之间的差别大于标准模型中的情况。

2021年,还有其他实验论文提出轻子味普适性破坏的迹象 [4]。CERN的LHCb实验表明,b夸克衰变为s夸克,并伴随产生正反轻子对时,所产生的正负缪子对明显多于正负电子对,差别达到了3.1σ [4,5]。CERN的CMS的正负质子碰撞实验中,观测到的高能正负电子比正负缪子多 [6,5]。

此前就有其他迹象。b夸克衰变为s夸克的关联和衰变率,与标准模型预言差别达5σ以上;b夸克衰变为c夸克,伴随产生轻子和中微子的过程中,陶子(另一种味)明显多于电子或缪子,差别达到3σ;有的贝塔衰变体现出所谓的卡比博角反常,达到3σ,也说明缪子与电子的差别大于标准模型结果。

这些轻子味普适性的破坏还需要更多更精密的测量来确定。

 

3、中微子振荡探测的模型要修改

实验上观测到的中微子有明确的味,用量子力学语言说,是味本征态(在某某本征态,某某就是确定的)。每个味本征态是三个不同质量本征态的叠加态,因此中微子有振荡。

中微子振荡的测量基于与核子的相互作用,但是描述这个相互作用的理论模型并没有直接的实验验证。 最近美国Jefferson实验室CLAS和e4ν合作组的电子-核子散射实验,发现电子-核子相互作用需要修改。因为中微子-核子的相互作用与之相似,所以也需要修改 [7,8]。 

 

4、寻找暗物质

宇宙中引力现象表明,暗物质和暗能量应该存在,但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、星系形成等等方面。暗能量的证据主要来自宇宙加速膨胀。 

现在一般认为,宇宙中的所有物质-能量中,只有5%是普通物质(组成成分不超出粒子物理标准模型中的基本粒子),27%是暗物质,还有68%是暗能量。

寻找暗物质和暗能量是科学前沿课题。人们提出了种种暗物质假说,并试图在实验室里找到。

2013年开始,“暗能量巡天” 合作组基于智利的Blanco望远镜,绘制所有的星系图,以提供宇宙中物质分布的信息,确定宇宙中可见物质和暗物质的分布。2019年完成了6年观测。 

最近,他们用一个理论模型,分析了其中第一年的观测数据,描写了几种测量的关系:星系分布,形成星系团的星系的分布,以及遥远星系的光被地球附近物质所扭曲的情况。他们给出了对于可见物质和暗物质的密度及其涨落的新限制,将取值范围压缩了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。最近与之相似的西班牙ANAIS实验(基于掺铊碘化钠闪烁器)发表对三年实验数据的分析,与DAMA/LIBRA结果的差别是2.7σ [11,12]。明年他们有望达到3σ。

弱相互作用有质量粒子(WIMP)是一种热门的暗物质候选者。轴子是另一种,最初是维尔切克和温伯格各自独立提出的假想粒子(采纳了维尔切克的命名),以解释强相互作用不破坏CP对称性。 

去年,位于意大利Gran Sasso山的XENON1T实验曾经探测到信号,不能轻易解释为噪声(285个事件,比正常的232个噪声事件多3.5σ),但是电子-光子比值又大于弱相互作用有质量粒子(WIMPs)所能导致的值。 

他们指出有三个可能:太阳来的粒子、不同于WIMPs的暗物质、放射性污染。去年其他作者也发表了好几种理论解释,包括轴子、WIMPs、加速的冷暗物质、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。最近它基本上排除了某个模型下3.3到4.2微电子伏特之间(改探测器的敏感能区)的轴子,同时也对其他模型中轴子性质给出严厉限制 [13,14]。

位于四川锦屏山下3000米,由上海交通大学牵头的PandaX-4T实验,采用氙探测器,寻找WIMPs。

去年7月,他们发布了更新后的最新成果,对40GeV的WIMPs与核子的无自旋相互作用给出严厉限制。目前实验组在进一步降低放射性导致的背景噪声,将来有望对于WIMPs和轴子给出进一步限制 [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 [18]。   

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 [21]。

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 [38]。 

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 [39]。  

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 [40]。

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。 
 

参考文献:

[1] B. Abi et al. (Muon g-2 Collaboration), “Measurement of the positive muon anomalous magnetic moment to 0.46 ppm,” Phys. Rev. Lett. 126, 141801 (2021).

[2] Priscilla Cushman, Muon’s Escalating Challenge to the Standard Model, Physics 14, 54, April 7, 2021.

[3] Adrian Cho, Calculation could dim hopes for new physics, Science 372, 226 (2021).

[4] LHCb Collaboration, arXiv:2103.11769 (2021).

[5] Andreas Crivellin, Martin Hoferichter, Hints of lepton flavor universality violations26 , Science 374, 1051 (2021).

[6] A. M. Sirunyan et al., JHEP 2021, 208 (2021).

[7] Khachatryan, M. et al. Nature 599, 566–570 (2021).

[8] Noemi Rocco , Electrons show the need for improved neutrino models, Nature  599, 560 (2021).  

[9] C. To et al. (DES Collaboration) ,“Dark Energy Survey year 1 results: Cosmological constraints from cluster abundances, weak lensing, and galaxy correlations,” Phys. Rev. Lett. 126, 141301 (2021).

[10] Sophia Chen, A New View of the Universe’s Dark Side, April 6, 2021, Physics 14, s44.

[11] J. Amaré et al., “Annual modulation results from three-year exposure of ANAIS-112,” Phys. Rev. D 103, 102005 (2021).

[12] Erika K. Carlson, Experiment Casts Doubt on Potential Dark Matter Find, May 27, 2021, Physics 14, s71.

[13] C. Bartram et al., “Search for invisible axion dark matter in the 3.3–4.2 meV mass range,” Phys. Rev. Lett. 127, 261803 (2021).

[14] Marric Stephens, Tightening the Net on Two Kinds of Dark Matter, December 23, 2021, Physics 14, s164.

[15] Y. Meng et al., “Dark matter search results from the PandaX-4T commissioning run,” Phys. Rev. Lett. 127, 261802 (2021).

[16] C. A. J. O’Hare, “New definition of the neutrino floor for direct dark matter searches,” Phys. Rev. Lett. 127, 251802 (2021).

[17] Christopher Crockett, Redefining How Neutrinos Impede Dark Matter Searches, December 16, 2021, Physics 14, s154.

[18] Michael Schirber, Neutrinos Rising from the Floor, June 29, 2021,  Physics 14, 96.

[19] A. V. Dixit et al., “Searching for dark matter with a superconducting qubit,” Phys. Rev. Lett. 126, 141302 (2021). 

[20] Erika K. Carlson, Qubits Could Act as Sensitive Dark Matter Detectors,  April 8, 2021, Physics 14, s45.

[21] Sander M. Vermeulen, et al., Direct limits for scalar field dark matter from a gravitational-wave detector, Nature 600, 424 (2021).

[22] R. K. Leane and J. Smirnov, “Exoplanets as sub-GeV dark matter detectors,” Phys. Rev. Lett. 126, 161101 (2021). 

[23] Marric Stephens , Detecting Dark Matter in Exoplanets, April 22, 2021, Physics 14, s46.

[24] C. Skordis and T. Złośnik, “New relativistic theory for modified Newtonian dynamics,” Phys. Rev. Lett. 127, 161302 (2021).

[25] Michael Schirber, Dark Matter Alternative Passes Big Test, October 15, 2021, Physics 14, 143.

[26] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), “Observation of the mass difference between neutral charm-meson eigenstates,” Phys. Rev. Lett. 127, 111801 (2021).

[27] Soeren Prell, Unraveling D-Meson Mixing, Physics 14, 124, September 7, 2021.

[28] Baker, C. J. et al. Nature 592, 35–42 (2021).

[29] Baur Masaki Hori, Antimatter cooled by laser light, Nature 592, (2021) 27.

[30] Manas Mukherjee Single proton cooled by distant ions, Nature 596, 490 (2021).

[31] Bohman, M. et al. Nature 596, 514–518 (2021).

[32] Erika K. Carlson, Generating Antineutrons and Hyperons with Existing and Future Facilities, June 30, 2021, Physics 14, s85

[33] C. Z. Yuan and M. Karliner, “Cornucopia of antineutrons and hyperons from a super J/y factory for next-generation nuclear and particle physics high-precision experiments,” Phys. Rev. Lett. 127, 012003 (2021). [34] Gonzalez, F. M. et al. Phys. Rev. Lett. 127, 162501 (2021).

[35] de D. Castelvecchi NEUTRON’S LIFETIME MEASURED WITH HIGHEST EVER PRECISION, Nature 598, 28 October 2021, 549.

[36] G. Potel et al., “Quantum entanglement in nuclear Cooper-pair tunneling with γ rays,” Phys. Rev. C 103, L021601 (2021).

[37] Piotr Magierski The Tiniest Superfluid Circuit in Nature, February 25, 2021, Physics 14, 27.

[38] Ronald F. Garcia Ruiz, Designer Molecules for Fundamental-Symmetry Tests, January 11, 2021, Physics 14, 3.

[39] M. Fan et al., “Optical mass spectrometry of cold RaOH+ and RaOCH+3 ,” Phys. Rev. Lett. 126, 023002 (2021).

[40] P. Yu and N. R. Hutzler, “Probing fundamental symmetries of deformed nuclei in symmetric top molecules,” Phys. Rev. Lett. 126, 023003 (2021).

[41] S. M. Udrescu et al., “Isotope shifts of radium monofluoridemolecules,” Phys. Rev. Lett. 127, 033001 (2021).

[42] Jaideep Taggart Singh, Sizing up Exotic Nuclei with Radioactive Molecules, July 14, 2021, Physics 14, 103.

 



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