2021年物理学的那些进展

作者: 施郁

来源: 知识分子

发布日期: 2022-01-19 07:59:00

2021年,尽管新冠疫情肆虐,物理学的研究并未停下脚步,全球物理学家继续推动粒子物理和宇宙学的发展。缪子反常磁矩的测量、轻子味普适性破坏的可能性、中微子振荡模型的修改、暗物质的寻找等方面都有新的进展。特别是缪子反常磁矩的实验结果与标准模型计算的差异,可能预示着新的物理现象的发现。此外,暗物质的探测方法也在不断创新,超导量子比特等新技术被应用于暗物质的探测。

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,今天刊发粒子物理部分,标题为编辑所加。看过之后,您有哪些感受,欢迎在评论区留言讨论。

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?

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。

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。

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。

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