介子: 撼动物理学世界的亚原子粒子
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什么是一个电子质量的200倍 ， 存在时间为百万分之二秒 ， 不断撞击地球表面的每一寸 ， 其行为方式似乎打破了长期以来公认的物理定律?这就是介子 ， 一种首次发现于20世纪30年代末的粒子 ， 它是宇宙射线撞击地球大气中的粒子而形成的 。 介子以接近于光的速度穿过你和你周围的一切 。 然而 ， 我们中的许多人可能直到2021年4月才意识到它们的存在 ， 当时美国政府的费米国家加速器实验室的研究人员发布了为期三年的μ子g-2实验的初步结果 ， 这一粒子成为了新闻头条 。费米实验室的研究证实了之前的发现 ， 即介子的行为方式与粒子物理的标准模型相反 ， 标准模型的理论框架旨在描述最微小层面上的现实如何运作 。 正如这篇发表在《科学》杂志上的文章所解释的那样 ， 介子存在于影响它们的其他微小粒子和反粒子的海洋中 ， 实际上比标准模型所预测的磁强一点 。 这反过来又指出了其他未知粒子或力的可能存在 。
介子很像电子 ， 只是比电子重200倍 ， 根据爱因斯坦的公式E=mc2 ， 这意味着静止的μ子比电子具有更大的能量 ， 这使得它们可以衰变为更轻的粒子 ， 同时总体上仍然保存能量 。 另一个关键的区别是 ， 电子被认为是非常接近不朽的 ， 而介子只存在220万分之一秒 ， 然后衰变为一个电子和两种中微子 。 当宇宙射线撞击地球大气中的粒子时 ， 不断产生的介子在它们短暂的存在中以接近光速的速度传播了惊人的距离 。 它们会撞击地球表面的每一英寸 ， 并通过其直接路径上的几乎所有东西 ， 可能会穿透一英里甚至更多的地球表面 。
有些人认为介子是理解所有亚原子粒子的关键 ， 但Wise并没有做到这一点 。 在探索超出我们目前理解的物理学时 ， 应该研究所有的粒子 。 不过介子也有一些优势 。 例如 ， 它的异常磁矩被非常精确地预测了 ， 这使得它对新的物理学更加敏感 ， 超越了我们现有的会改变这个预测的理论 。 同时 ， 它可以被非常精确地测量 。 然而 ， 研究μ子不是一件简单的事情 。 费米实验室使用了一个635吨的装置 ， 其中包括三个直径15米的环 。 该装置能产生1.45特斯拉的磁场 ， 约为地球磁场的3万倍 。
研究如此微小和短命的物体 ， 它们需要这些巨大的设备 ， 这是很有趣的 。 当它们以高能量产生时 ， 它们几乎以光速传播 ， 在衰减之前可以传播相当长的距离 。 所以你可能会在探测器里寻找他们留下的证据 。 例如 ， 因为介子是带电粒子 ， 它们可以电离它们穿过的物质 。 这种电离产生的电子可以被探测到 。 费米实验室团队最近发现 ， 这种粒子的磁性略高于物理学家的预期 ， 这很有意义 。 这与目前的理论对μ子磁矩的预测不一致 。 因此 ， 在我们现有的理论中 ， 存在一些新的物理学 ， 并改变了对这个量的预测 。
像许多重要的发现一样 ， 费米实验室的发现提出了更多的新问题 ， 科学家们对介子还有很多想知道的 。 它提出了一个新的物理学问题 ， 还有一些在标准模型中没有解释的关于μ子的反常现象 。 它们是否都有某种联系?可能是实验中存在一些尚未被理解的系统效应 ， 影响了测量结果的解释 。 理论也是如此 。 所以这种异常现象最终会消失 。 尽可能多地检查这些东西是非常重要的 。
【|介子: 撼动物理学世界的亚原子粒子】
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