真的发现第五种基本作用力了吗？| 科技袁人

07-05 09:16

　　导读

　　正因为标准模型太成功了，所以物理学家做梦都想超越它，超越它才有希望引起新的物理学革命。

　　

　　精彩再现：

　　最近许多人来问，是不是发现了第五种基本作用力？回答是：没有，不过在这个方向上发现了一些新现象。具体地说，最近人们精确测量了缪子的磁矩，发现它跟理论预测值不符。不符到什么程度呢？小数点后第八位，也就是说亿分之一的量级（重大突破：交大学者助力费米实验室的缪子反常磁矩实验获得里程碑意义的成果）。

　　理论值是2.00233183620(86)，

　　实验值是2.00233184122(82)。

　　括号里是不确定度。

　　你也许会觉得，这点差异不值一提。然而需要注意，理论值和实验值的置信度都是非常高的，达到小数点后第十位。因此，它们在第八位就有差异是相当惊人的，值得严肃对待。更具体的度量是，这个差值达到4.2个标准方差。单纯由于统计误差出现这种情况的概率，只有4万分之一。

　　值得注意的是，粒子物理实验中确认一个发现，一般需要达到5个标准方差，这时统计误差的概率只剩下千万分之3。因此，缪子磁矩的结果还没有达到确认的程度。

　　实验组在继续采集数据，因为统计误差跟数据量的平方根成反比，同时在努力改进数据分析方法，降低系统误差。在理论方面，也需要更多科学家尝试各种计算方法，减少计算误差。通过这样不断提高精度、减少误差的过程，我们才能越来越接近真实。

　　之所以很多媒体把这个结果解读为发现第五种基本作用，是因为它隐含着突破粒子物理标准模型的迹象。标准模型是我们对微观世界的一种非常成功的定量描述，在许多问题上取得了跟实验精确符合的结果，并且很多预测都被实验证实了，例如希格斯粒子。正因为标准模型太成功了，所以物理学家做梦都想超越它，超越它才有希望引起新的物理学革命。

　　缪子就是标准模型中的一种基本粒子。它的性质跟电子相似，带一个负电荷，只是质量约等于电子的200倍。对缪子磁矩的预测，就是根据标准模型做出的。如果确认了理论值与计算值不符，那么这就是超越标准模型的明确现象。

　　事实上，物理学家早就发现了一些标准模型不能解释的现象，如暗物质、CP对称破缺、正反物质不对称。但问题在于，对那些现象，标准模型还不能给出定量预测。例如我们还压根不知道暗物质是什么粒子呢，所以也就谈不上理论与实验的对照。这次缪子磁矩的测量，是一个理论有定量预测的现象，因此意义重大。

　　但是需要注意，这离所谓发现第五种基本作用还差十万八千里，八字还没一撇。科学家都是有一说一的，媒体千万不要过度引申，让他们为难。

　　什么时候才能算真正发现第五种基本作用了？这需要经历这样一个漫长的过程：

　　一，发现很多现象不能用标准模型解释；二，提出一种新理论解释所有这些偏差；三，用这种新理论预言若干新现象；最后还需要在实验上观测到新现象，人们才会信服。按这个标准，标准模型也是在2012年发现希格斯粒子之后，才真正确立地位的。所以，我们探索标准模型外物理的旅程才刚刚开始。

　　了解了这个大图景，你就会明白，提高测量精度本身就是重要成就。例如很多人一提到中国的大型对撞机计划就问，能取得什么成果？会不会什么成果都没有？然后就大骂是骗钱的。其实它的基本目标是生产大量的希格斯粒子，把对希格斯粒子性质的测量精度提高一个量级，这个目标是十拿九稳能实现的。如果你明白提高测量精度是一切发现的基础，你就不会问这种外行的问题了。

　　这次缪子磁矩测量的国际合作组是由美国的费米实验室领衔的，包括了7个国家、35个研究单位的近200位科研工作者。我的朋友洪然博士在费米实验室参与了这项工作，写了一篇文章《妙子漫谈 | 洪然》，向大家推荐。他把缪子的英文名muon翻译为妙子，——是啊，大自然是多么奇妙啊！