[비즈한국] 有一種獎項被稱為諾貝爾獎的指標，那就是突破獎（Breakthrough Prize）。矽谷的經營者們向為科學發展做出貢獻的科學家們頒發大額獎金和獎項。坊間傳聞，一旦獲得該獎，往往在幾年內就能獲得諾貝爾獎。
今年，該獎項授予了在強子對撞機中領導“繆子（muon）g-2”實驗的物理學家們。金英基（Young-Kee Kim）教授擔任榮譽所長的費米實驗室也榜上有名。這確實是一個非常棒的訊息。
在微小微觀世界中發生的混亂，或許正是宇宙長期未解之謎——暗物質的意外線索。也許宏大宇宙中尚未解開的秘密，就隱藏在這些微小的微觀世界中。每當我們跨越宇宙的尺度，都會在截然不同的維度邂逅陌生的新宇宙。那麼，今年作為突破獎主角的“繆子g-2”實驗，究竟蘊含著什麼樣的秘密呢？
希格斯玻色子被發現後，許多人曾認為：最重要的粒子難道不是都已經找到了嗎？標準模型非常契合，實驗也越來越精密，卻再也沒能看到新的粒子。難道粒子物理學的“大發現時代”已經結束了嗎？然而，2021年，一顆極小的粒子再次讓全球物理學家感到興奮。這個粒子的名字就是繆子。
繆子可以被看作是電子的“重親戚”。它與電子的電荷相同、自旋相同，多種性質也非常相似。但關鍵在於，它比電子重得多，大約是電子的200倍。而且它非常不穩定。繆子並非永恆存在的粒子，它大約只存在百萬分之一秒，隨後就會衰變成其他粒子。
繆子在宇宙中也會自然產生。當被稱為宇宙線的高能粒子撞擊地球大氣層時，這一過程中就會產生繆子。此時此刻，在地球大氣層中也有無數繆子產生又消失。只是因為壽命太短，它們轉瞬即逝。乍一看，它似乎是可有可無的粒子。那麼，為什麼科學家們對這種轉瞬即逝的粒子如此執著呢？這是因為繆子是對宇宙空曠空間極其敏感的粒子。
我們通常認為的空曠空間是“什麼都沒有”的空間。然而，從量子力學的角度看，真空絕非空無一物。真空就像看不見的“量子湯”。在其中，粒子和反粒子會在極短的瞬間產生並消失。電子和正電子可以短暫地出現又消失，光子可以出現又消失，更復雜的情況是，夸克和反夸克對也會瞬間產生並消失。繆子在穿過這片“量子湯”時會受到其影響。雖然電子也會受到影響，但由於繆子比電子重得多，因此更加敏感。所以，繆子就像是一個探測器，能告訴我們看不見的“湯”裡到底加入了什麼材料。
電子或繆子等粒子具有一種稱為“自旋”的量子力學特性。自旋並不意味著粒子真的像陀螺一樣在旋轉，但它能產生類似微小旋轉的效果。帶電粒子如果具有自旋，該粒子就會像一根小磁鐵一樣運動，即擁有磁矩。簡單來說，繆子就是一個小磁鐵。因此，如果把它放入強磁場中，這個小磁鐵的方向就會晃動。觀察陀螺轉動時，會發現陀螺的軸並非垂直站立，而是緩慢地晃動，這被稱為“進動”。繆子在磁場中也會以類似方式晃動。表示這種程度的值就是“g”。
根據1930年代的狄拉克理論，電子或繆子等自旋為1/2的粒子的g值應該準確地等於2。當時的理論在不假設複雜內部結構的情況下，將帶電和帶自旋的基本粒子的磁性質預測為“2”這個簡潔的數字。然而，宇宙總是超出我們的期待。1948年，科學家們極其精確地測量了電子的g值。結果並不是精確的2，而是約2.00238，比2大了一點點。差異僅為0.1%左右，但在物理學中，這是不能當作誤差處理的差異。於是，量子電動力學登場了。
根據量子電動力學，電子並非孤立存在。電子周圍的真空被瞬間產生又消失的粒子云所包圍。電子附近的電場非常強，其能量可以在短時間內產生粒子與反粒子對。電子-正電子對產生又消失，光子被釋放又被吸收。在亞原子世界，電子或繆子周圍的空間看起來就像閃爍著螢火蟲的森林。粒子短暫出現又消失，這些瞬時的存在會極其微小地改變原粒子的磁性質。所以g並不是精確的2，而是比2大了一點點。
科學家們將這個小小的超額部分稱為“反常磁矩”（anomalous magnetic moment）。公式通常寫作a=(g-2)/2，即從g中減去2後再除以2。繆子g-2的名稱也源於此。g值偏離2的程度，揭示了繆子如何與周圍的量子真空相互作用。而在那個量子真空中，包含了標準模型中所有粒子的效應。光子、電子、正電子、W玻色子、Z玻色子、夸克，甚至膠子，都會產生微小的貢獻。
布魯克海文國家實驗室在1990年代和2000年代初期極其精確地測量了繆子的g-2值。結果與標準模型的計算幾乎完美吻合，幾乎所有位數都對上了。但在極末端，即小數點後第八位或第九位附近出現了差異。從日常視角看，這是小得離譜的差異。可以比作預測地球周長時出現了10~30釐米的偏差。但在粒子物理學中，這種差異也不容忽視。
費米實驗室的實驗重新使用了布魯克海文使用的巨大磁儲存環。這是一個直徑達50英尺（約15米）的巨型圓形裝置。為了將原本位於長島布魯克海文國家實驗室的該裝置轉移到伊利諾伊州巴達維亞的費米實驗室，研究人員並沒有選擇走直線陸路，因為裝置實在太大且敏感。因此，裝置經過海路和河路運輸，最後裝上大型卡車才運抵費米實驗室。
費米實驗室製造出高能繆子，並將這些繆子射入帶有強磁場的圓形環內。繆子在環內高速旋轉時，會因磁場而發生晃動。這種晃動的頻率，即進動速度，正是告訴我們繆子磁矩的關鍵。然而，繆子壽命不長，約百萬分之一秒後就會衰變。在那短短的時間裡，它可以在環內旋轉數百圈，但最終還是會衰變成電子或正電子等。實驗裝置周圍的探測器測量這些衰變產生的粒子的能量和方向，透過這些資訊反推原本繆子的晃動方式。
該實驗必須達到極高的精度。磁場稍微不同不行，探測器的時間測量稍有抖動也不行。繆子束的形狀、電場校正、垂直方向振動，甚至系統誤差都必須嚴加控制。因此，費米實驗室的繆子g-2實驗採用了“盲分析”方式進行。
2021年費米實驗室公佈的首次結果與布魯克海文的結果吻合得很好。費米實驗室和布魯克海文兩處的結果，與當時標準模型的代表性理論值相比，均存在4.2個標準差（sigma）的差異！雖然還未達到公認新發現的5個標準差，但這無疑是不可忽視的偏差。無法解決的鴻溝意味著什麼呢？
這裡出現了一個另一個有趣的概念，即“輕夸克”（leptoquark）。通常，輕子（lepton）和夸克（quark）被認為是不同種類的粒子。電子和繆子是輕子，是不受強核力影響的基本粒子。夸克則是構成質子和中子的基本粒子。而輕夸克是一種同時具備兩者性質的假想粒子。曾經讓粒子與波動區分變得無意義的量子革命，如今正試圖在標準模型內打破輕子和夸克的界限。在這片宇宙之外還隱藏著多少怪異的存在？這令人不寒而慄。如果這種假想粒子真的存在，它可能會在衰變過程中對電子和繆子“厚此薄彼”。
在標準模型中，有一個原則叫“輕子普適性”。即認為電子、繆子、陶子的質量雖然不同，但基本的相互作用方式應該是一樣的。因此，除特殊的質量效應外，某個過程走向電子對的比例和走向繆子對的比例應該相同。然而，分析強子對撞機LHCb的資料結果卻出乎意料地失衡。走向繆子的衰變比電子少。比例並非1比1，而是走向繆子的衰變僅為0.8左右。
如果這是事實，意味著宇宙不知為何對電子和繆子採取了不同的對待方式。它可能更偏愛電子，更傾向於產生電子。但這在現有的標準模型內很難理解。因此甚至出現了這是由於超越現有四種基本作用力的“第五種力”所導致的解釋。
科學界已經知道標準模型並不完美。標準模型無法解釋暗物質，也無法解釋為什麼宇宙中物質豐富而反物質卻幾乎消失。希格斯玻色子為何如此輕盈，至今也是一個深奧的謎題。在高能狀態下，力是如何統一的也尚未完全知曉。因此，物理學家們認為新的物理定律一定存在於某處。只是不知道它會在何處、以何種方式顯露出來。繆子g-2實驗，正是為探索這種可能性開啟了一扇門。
參考
https://muon-g-2.fnal.gov/
關於作者池雄培（Ji Woong-bae）：熱愛貓咪與宇宙。童年時期看到《銀河鐵道999》後，便萌生了傳播宇宙之美的夢想。目前擔任世宗大學自由專業學部教授，同時進行演講和寫作等多樣化的科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光璀璨的宇宙科學家們》、《無法前往但可知曉》、《看到宇宙會浮現出的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《給真正宇宙旅行者的指南》、《我是如何殺掉冥王星的》、《量子人生》、《Cosmigraphics》等作品。