新浪科技综合|来无影去无踪的暗物质终于现身？物理学家大呼“万万没想到”_

_原题是：构成暗物质的粒子，可能会是什么？来源：Linvo说宇宙本视频作者：Linvo说宇宙上一期我们讨论了暗物质有没有可能是类似黑洞这样的高密度天体，这是宏观尺度给出的一种候选者，本期我们再从微观角度，看一下构成暗物质的粒子，可能会是什么？全部内容请看视频↑
来源：果壳
近日，美国费米国家实验室公布了最新缪子（μ子）磁矩的测量结果，这立马引起了物理学界的广泛关注，我们对宇宙构成的认知，可能因此而发生变化！

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费米实验室中巨大的超导磁铁存储环，粒子加速器产生的缪子束流进入储存环后，探测器即开始记录其运动状况 | fnal.gov
为什么这样说呢？因为追寻构成世界的基本元素，是科学史上最为悠久的问题之一。中国古人有云，一尺之棰，日取其半，万世不竭。而古希腊哲学家则认识到物质由基本的元素构成，甚至已经提出了“原子”的概念。当然，这些都是古人对于世界最原始的朴素认知，但对于探索宇宙的成分、物质的构成，人类从没有停止过。
粒子标准模型：一部物理学界的物种百科
经过众多科学先驱的努力，人们终于认识到，宏观的物质是由微观粒子构成的，很多微观粒子是由更小的粒子构成的，若粒子无法被分解，那么我们就称之为基本粒子，这样的一门学科叫做粒子物理（也叫高能物理）。

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一台上世纪60年代的范德格拉夫式静电场粒子加速器 | wikipedia.org
上个世纪是粒子物理的黄金时期，通过研究宇宙射线、建造粒子对撞机等，人们对物质的认知不断深入。从原子到电子、原子核，从质子中子再到胶子、夸克，人们发现了大量的新粒子，又不断地分解这些粒子，就像集邮一样，物理学家们甚至还为粒子的命名权而明争暗斗，比如1974年，丁肇中与另一位物理学家伯顿·里克特同时发现了一个新粒子，丁肇中想称之为“J”粒子，而里克特则选用了希腊字母“ψ” ，后来科学界干脆就把这个新粒子叫做“J/ψ”粒子。

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丁肇中与里克特，这次新粒子命名之争也成为现代物理学历史上一段知名公案 |Sandbox Studio ，Chicago
除了基本粒子，人们对粒子之间的相互作用力也有了新的发现，除了万有引力和电磁力外，基本粒子之间还存在弱相互作用力以及强相互作用力。
随着发现的粒子越来越多，而且五花八门，粒子之间的关系也繁琐复杂。正如门捷列夫建立元素周期表一样，人们隐约觉得，如此繁多粒子的背后，也应该有一个相似的“粒子周期表“ 。在这个思想指导下，标准模型横空出世！标准模型就像是粒子物理学家的圣经一样，对微观世界的研究，都要接受它的指导。
如果仅仅能解释已知的现象，那也难服众人。 2013年，欧洲核子中心的大型强子对撞机发现了一个新粒子，这个粒子完全是标准模型预言的粒子，也就是大名鼎鼎的希格斯粒子。这一战，标准模型就此封神！

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粒子物理标准模型 | 作者供图
正所谓否极泰来，物极必反。标准模型变得完美的时候，也恰恰是其不完美开始显现的时候。时间长了，人们也慢慢地发现，标准模型似乎也不是那么“标准” 。比如说，标准模型“规定” ，基本粒子之一的中微子不能有质量，要以光速在宇宙中穿梭，然后实验测量发现，中微子耍了一点小滑头，它以非常接近光速的速度运动，而且有非常小的质量，不仔细看，还真发现不了这一点！这种结果让人们很不爽，如此完美的标准模型竟然不完美，但人们又无可奈何，只能接受这一点。

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粒子加速器产生的各种粒子，在中微子的带领下进入超导磁铁储存环 | Sandbox Studio ，Chicago
有人看到了危机，有人却能看到机遇！这或许是破旧立新的机会，虽然标准模型还没多旧。当不可战胜的神流血之后，就会有越来越多的挑战者！而这一次费米国家实验室实验的内容，是测试缪子磁矩。缪子，也是标准模型中的基本粒子之一，它是我们熟知的另一个基本粒子——电子——的二哥，除了比电子重200多倍，其它没有什么区别。

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缪子（μ 子）与电子的关系 | Jorge Cham ， physics.aps.org
什么是磁矩呢？大家中学物理课可能学过，作用力促使物体绕着转动轴或支点转动的趋向，称为力矩。那么缪子的运动模式，是像陀螺一样飞速绕着中心轴旋转，这种自转运动形成了沿着缪子自转轴排列的磁场。这个围绕缪子产生的磁场力矩，就被称为磁矩。
费米实验室的科学家在观察缪子磁矩的时候，发现一个有趣现象：那就是看似空无一物的真空，实则暗流涌动，风云四起！一个静止的缪子，会在周围的真空中激发出正反粒子对，这些粒子对从真空中涌现，又在瞬间消失的无影无踪，，如同奇幻电影里的小精灵，突然出现又突然消失。这些小精灵一样的神秘粒子，虽然没法被直接观察到，但却对缪子的磁矩产生可观的影响。
如果把缪子看作一个小陀螺，那么它在自转时，由于磁场的存在，也不是笔直地按照中心轴稳定旋转，而会出现中心轴“扭来扭去”的现象。也就是说，那些神秘的小精灵一样的粒子，似乎有一种无法看到的力量，让这只小陀螺在自转中，扭动的“姿势”和预测中的不一样。
虚粒子——打开新物理大门的小精灵
其实，在之前的物理学研究中，科学家也注意到了这些神秘的小精灵，由于来无影去无踪，干脆就把这些粒子叫做“虚粒子”！著名物理学家施温格在1947年最先计算了虚粒子对电子的影响，这在当时是巨大的理论进步，以至于他去世之后，墓碑上都镌刻了这个结果。
虽然有一个“虚”字，但是虚粒子的影响却是实实在在的。因此理论计算的时候，就要把所有已知的粒子都考虑进去，这是非常繁琐的事情，虚粒子瞬息万变，想抓住它并不容易，甚至使用了超级计算机进行计算。然而，迎接理论物理学家的并不是胜利的号角，实验物理学家经过多年的努力，发现事情并没有这么简单。电子磁矩的理论计算与实验结果，在小数点后11位还能保持相同，理论与实验呈现高度的一致性，标准模型不愧为粒子物理学的圣经！这也是物理学中最精确的结果，没有之一！
然而，当人们把目光转向缪子的时候，预期的完美结果并没有出现，理论计算与实验测量总是差一点点，这一点点的差距在20年前就被发现，经过了20年的努力，这一差距并没有缩小，反而越发坚固！
与理论不同，实验测量的是最真实的宇宙，宇宙并不会因为一个粒子不在标准模型里就歧视之，天地不仁，以万物为刍狗，所有粒子都被一视同仁地参与缪子磁矩。
当实验结果与理论计算结果不一致时，机遇就再次展现出来！标准模型不完美的呼声也越来越高了，宇宙中很有可能还有新的没有被发现的粒子，这些粒子不在标准模型之内，因此理论计算自然没有包含它们的贡献，理论与实验有差距也就很容易理解了。
夜幕降临，抬头望向夜空，繁星点点。我们看见的，真的就是整个宇宙吗？有时候眼睛往往会蒙蔽真相。上个世纪，天文学家的观测彻底颠覆了人们对于宇宙的认知，普通可见物质只占到了宇宙总成分的5%！除此之外，宇宙中还有26%的不可见物质，也就是大家常说的暗物质。暗物质是普通物质的五倍还多！当然，还有69%的暗能量，不过那是另外一个故事，此处不予多说。
就像普通物质是由各种基本粒子构成的一样，人们也自然地相信暗物质也会是由某种基本的粒子构成，那么构成暗物质的基本粒子到底是什么呢？探索宇宙的道路不会一帆风顺，至少在这一步，人们已经举步维艰很久了。人们上天入地，想找到暗物质粒子的踪迹，但是遗憾的是，到目前为止，暗物质粒子的影子都没有发现。
因此，缪子磁矩就像是一针强心剂，人们觉得好像又行了！大家很自然地联想到暗物质，也会自然地想，这两者有相同的内在机制。这个结果，给暗物质研究、宇宙构成与演化问题带来了新的机遇，毕竟暗物质在宇宙中的占有量是普通可见物质的五倍！
当然，这些听起来很振奋人心，但是物理学家对于一个结果总是会慎之又慎！实际上，目前的实验结果并不被认为是一个确定的发现，因为这样的好结果有可能是因为统计数据不够，数据误差过大导致的，这样的可能，目前有四万分之一的概率。一般来说，只有这个概率小于千万分之三，才会认为是真的发现了新的现象！
【新浪科技综合|来无影去无踪的暗物质终于现身？物理学家大呼“万万没想到”】虽然如此，目前的结果也足够令人振奋人心。费米实验室将在未来几年内继续测量缪子磁矩，收集更多的数据，相信那时候我们会有一个更坚实的结果。回想彼时，十九世纪初，开尔文勋爵演讲中的“两朵乌云” ，直接带来了相对论与量子力学这两个重量级的物理学革命，我们对宇宙的认知也发生了翻天覆地的变化！再看此时，或许我们也处于相似的境地，一个小小的缪子，或许就是通向未来新物理的起点也说不定呢！