淺談最近同muon有關嘅粒子物理學新「發現(s)」

學術
#1 牛河博士生
17/04/21 18:51

(credits: Chris Madden)

好耐冇出文啦,唔知哩期最受大家關注嘅新聞係乜呢?台灣嘅「鮭魚之亂」?單春表態撐新疆棉?長賜號擱淺?叫人白票=犯法定英國事頭婆老公菲臘親王逝世?除咗嗰堆之外,大家又有冇留意科學方面嘅新聞呢?喺近一個月,理論/粒子物理學又再次成為咗科學新聞嘅頭條啦!而當中嘅主角,就係muon(渺子)啦!唔知大家對相關嘅新聞又知幾多呢?今次等小弟為大家做個「(非?)專業」講解啦!

PS:個人覺得粒子物理學入面,好多粒子嘅(坊間)中文譯名太膠,所以小弟會用番英文。

muon係乜嚟?

(credits: Jorge Cham [4])

開始之前,我哋首先需要認識一下muon係乜嚟。muon係一種fermion(費米子),係lepton(輕子)嘅一種,同一般我哋認識嘅電子非常相似。佢幾乎大部份嘅物理特性,包括電荷、自旋(spin),都同電子一樣,同樣有相對應嘅反粒子(叫anti-muon),分別只係質量重好多,本身唔穩定,會通過弱作用力,衰變成電子而已。狹義相對論(special relativity)嘅時間膨脹(time dilation)現象,早期其中一個實驗觀察證據,就係同觀察muon衰變有關。簡單嚟講,你可以將muon睇成係「電子」嘅「肥版表兄妹」。而亦因為muon夠「肥」,所以理論上佢更容易受未知嘅物理影響,更容易同質量極重嘅未知粒子發生(間接)相互作用(記得E=mc^2嗎?)。

由於muon帶有量子自旋嘅物理特性(註:同電荷一樣,係固有量子特性嚟,唔係真係指粒粒子「自轉」𡁵),佢自己帶固有嘅角動量。而因為muon同時間帶有電荷,所以同經典電磁學嘅電流磁效應情況類似,muon會隨之而自帶磁性/有自己嘅磁場,哩個就係muon嘅磁矩(magnetic moment)。而今次嗰單最多人講,同muon有關嘅新聞,就係同測量muon嘅磁矩有關。

#2 牛河博士生
17/04/21 18:53

LHCb最近同muon有關嘅初步「發現」

The LHCb experiment at CERN (Image: CERN)

好啦,簡單介紹完muon後,係時間入正題。不過講之前,「戴番個頭盔」先,跟住落嚟講嘅呢兩單新聞,嚴格上未可以叫「發現」,仲未達理論/粒子物理學真.發現所需嘅標準。

首先,最近第一單同muon有關嘅粒子物理學「新發現」,係上月底由位處CERN嘅大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC),入面其中一個實驗LHCb公佈。 個實驗係測量由超重夸克,bottom quarks(又叫”beauty” quarks)組成嘅b-meson^嘅超罕有衰變過程。

^中文叫介子(「戒指」

實驗團隊發現有初步「證據」顯示,衰變成正負電子對嘅比例,高於衰變正負muons對[1]。哩個「發現」違反咗標準模型(Standard Model)lepton flavour universality,即撇除質量外,所有Standard Model唔同flavour嘅帶電荷lepton特性同gauge boson coupling$應該一樣先啱。

$ 哩度唔計希格斯場(Higgs field)嘅Yukawa coupling,而哩個Yukawa coupling亦即係lepton嘅質量嚟。因為Higgs boson唔係gauge boson嚟,所以一般嚟講,粒子/理論物理學係唔會當Higgs field相互作用為「第5種基本力」,尤其基本粒子同Higgs field嘅相互作用,背後原理係同自發性對稱破缺(spontaneous symmetry breaking )有關嘅希格斯機制。喺高能量時,電磁力同弱作用力會結合番做同一種力,即電弱相互作用,electroweak gauge symmetry會回復返,Higgs field嘅真空數值,同其相關嘅coupling會全部變0,即相互作用同粒子質量變0。

#3 牛河博士生
17/04/21 18:55

Fermi Lab muon g-2實驗結果公佈

(credits: Jorge Cham [4] )

另一單新聞就係好多人講,上星期由美國費米國家加速器實驗室(Fermi National Acceleration Laboratory),公佈嘅muon g-2實驗結果。

之前提到muon自己帶有磁性,即磁矩。如果將muon放喺一個外磁場入面,佢嘅磁矩會同外磁場有相互作用,繼而衍生出微小嘅擾動,情況就好似轉陀螺咁。Fermi Lab實驗做嘅,就係透過精確測量哩啲微小擾動,去計算muon嘅固有磁性。準確啲講,係測量相關嘅g-factor,即磁矩嘅相關dimensionless數值,而且係測到小數點後好多個位。

點解要測到咁精確?因為哩啲小數點後好多個位嘅細微數值修正,其實係源自背後粒子理論模型嘅量子修正(quantum corrections)。而哩啲量子修正,相對應嘅物理過程,係可以涉及一堆罕有同超高能量嘅粒子,甚至過程間(註:指測量時,initial同final state中間嘅直接觀察唔到嘅過程。有興趣嘅,可以去睇吓乜嘢係量子場論QFT同loop Feynman diagrams)「違反」一堆守恆定律,包括粒子數同能量守恆。

(不準確)比喻嚟講,喺高能粒子嘅量子場論世界,我哋嘅宇宙係好似「一煲由唔同材料煲成嘅湯」,空間充斥著一堆又一堆不停起伏擾動嘅量子場,包括真空狀態時。而哩「煲湯」,係會同muon有相互作用,修正muon嘅磁矩數值。哩個修正,係會根據「煲湯」嘅組成成份(量子場)而唔同。所以準確咁測量哩啲細微數值修正,係可以用嚟驗證Standard Model或粒子理論模型。

而上星期,Fermi Lab就公佈「發現」呢個g-factor測量值同Standard Model嘅理論值有明顯分別,顯示有機會有未知嘅新粒子/基本力*影響𡁵muon。睇嚟屹立不倒多年嘅Standard Model,終於要迎嚟被推翻嘅一日?

* 喺標準模型同量子場論,力同粒子某程度上係「同一樣嘢」嚟,而基本力係由gauge boson傳遞

#4 牛河博士生
17/04/21 18:57

後記

(戴番頭盔先,一早未證實,都唔好開心得太早住)

Fermi Lab嗰單可以話係「old news is so exciting」,因為muon g-2值實驗同理論嘅差異,其實唔算「新發現」,早係廿年前布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Lab)已經做過類似實驗,搵到類似嘅初步「證據」。今次Fermi Lab實驗,就係進一步驗證究竟呢個「發現」係真定假。所以呢個muon g-2差異,其實喺理論/粒子物理學界,可以話係「舊聞」喔!

另喺Fermi Lab公佈結果嘅同一日,有一組比較細,叫BMW嘅理論團隊,喺Nature發表一篇研究論文。佢哋研究喺完全唔參考量子色動力學實驗數值,單純透過格點量子色動力學(lattice quantum chromodynamics, lattice QCD),用超級電腦計算標準模型入面所有同QCD有關嘅費曼圖貢獻,發現標準模型嘅muon g-2理論數值,可能同一般粒子物理界其他團隊得出嘅值有出入,實驗數值仍然有機會同標準模型吻合 [2]。

最後正如小弟之前講,哩兩單「發現」,暫時都只係屬hints級別,統計數顯著性分別為3.1σ同4.2σ,仲未達理論物理真·發現級別,即純粹屬random chance嘅統計誤差要少於3,500,000份之一。

最後送首改編自單春歌曲嘅《棉棉》畀大家。

今次講到哩度,下次再講。

#5 牛河博士生
17/04/21 19:01

延伸閱讀:

[1] 《Intriguing new result from the LHCb experiment at CERN》CERN News

[2] 《Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD》

[3] 《第242話:新的物理學要出現了嗎?(Muon g-2實驗結果發佈》by 超中二物理宅

[4] 《The Muon g–2 Anomaly Explained》by Jorge Cham,即畫PhD Comic條友(英文漫畫圖解)

[5] 《‘Last Hope’ Experiment Finds Evidence for Unknown Particles》by Quanta Magazine

[6] 《NEWS: What's up with Muons? - Sixty Symbols》 by Sixty Symbols (英文高質片)

[7] 《Why the Muon g-2 Results Are So Exciting!》by PBS Space Time (英文高質「非入門級」科普片)

[8] 《This result could change physics forever》by Physics Girl

#6 古董味貓貓
17/04/21 19:42

今次睇唔明

#7 ☝️
17/04/21 22:39

#8 牛河博士生
18/04/21 01:31

今次睇唔明

有冇睇埋延伸閱讀呀?下面有英文圖解

#9 腐毒
18/04/21 01:34

次次接觸理科嘢都深深提醒我自己係一個弱智

#10 阿群帶路180年
18/04/21 01:48

原來係99.99997%唔係99.9999%

然後翻譯蒟蒻

3.1σ係99.90324%

4.6σ係99.99979%

我淨係睇得明呢啲

#11 阿群帶路180年
18/04/21 01:52

原來係99.99997%唔係99.9999%

然後翻譯蒟蒻

3.1σ係99.90324%

4.6σ係99.99979%

我淨係睇得明呢啲

睇錯,4.2σ係99.99867%

#12 Lego
18/04/21 02:05

#13 會員C
18/04/21 02:26

#14 Judy老公
18/04/21 03:50

雖然看不懂,但好像很厲害。。。。

#15 牛河博士生
18/04/21 05:30

次次接觸理科嘢都深深提醒我自己係一個弱智

#16 牛河博士生
18/04/21 08:56

雖然看不懂,但好像很厲害。。。。

#17 國民黨孫大砲
18/04/21 09:41

搵g factor係點樣計晒啲 loop Feynman diagrams?

#18 牛河博士生
18/04/21 11:47

搵g factor係點樣計晒啲 loop Feynman diagrams?

用電腦計,好似係

其實最難計只係QCD嗰堆

#19 古董味貓貓
18/04/21 13:00

今次睇唔明

有冇睇埋延伸閱讀呀?下面有英文圖解

睇完之後

我處於明於唔明嘅疊加狀態

好似明咗

但又未完全消化曬

但又講唔出有咩唔明

#20 女鬼夜行
18/04/21 13:07

但Standard Model唔係用公式推出黎既咩

咁咪姐係背後成個theory都會被推翻?

#21 女鬼夜行
18/04/21 13:11

今次睇唔明

有冇睇埋延伸閱讀呀?下面有英文圖解

睇完之後

我處於明於唔明嘅疊加狀態

好似明咗

但又未完全消化曬

但又講唔出有咩唔明

我既要求好卑微架姐

只要有生之年,

有個天才可以解釋到究竟點解會發生雙縫實驗既結果, 

我已經好心滿意足

#22 國民黨孫大砲
18/04/21 13:16

波粒二象性

wave-particle duality

#23 牛河博士生
18/04/21 13:18

有冇睇埋延伸閱讀呀?下面有英文圖解

睇完之後

我處於明於唔明嘅疊加狀態

好似明咗

但又未完全消化曬

但又講唔出有咩唔明

我既要求好卑微架姐

只要有生之年,

有個天才可以解釋到究竟點解會發生雙縫實驗既結果, 

我已經好心滿意足

唔明你想要咩解釋

如果你想要用經典物理學,deterministic嗰種「解釋」去諗,咁你一開始就已經錯晒方向

(講量子力學嘅interpretation問題就另計)

#24 牛河博士生
18/04/21 13:22

但Standard Model唔係用公式推出黎既咩

咁咪姐係背後成個theory都會被推翻?

standard model或理論物理學嘅理論

係講𡁵Lagrangian,唔係高中嗰類F=ma單一運動方程嚟

另有問題要修正=/=整個要被推翻

#25 女鬼夜行
18/04/21 14:11

睇完之後

我處於明於唔明嘅疊加狀態

好似明咗

但又未完全消化曬

但又講唔出有咩唔明

我既要求好卑微架姐

只要有生之年,

有個天才可以解釋到究竟點解會發生雙縫實驗既結果, 

我已經好心滿意足

唔明你想要咩解釋

如果你想要用經典物理學,deterministic嗰種「解釋」去諗,咁你一開始就已經錯晒方向

(講量子力學嘅interpretation問題就另計)

究竟係波定粒子? 點解有觀察者同冇會有分別?

點解釋量子擦除實驗?

都係理解唔到量子力學, 睇黎我都係古典力學人

#26 牛河博士生
18/04/21 14:53

我既要求好卑微架姐

只要有生之年,

有個天才可以解釋到究竟點解會發生雙縫實驗既結果, 

我已經好心滿意足

唔明你想要咩解釋

如果你想要用經典物理學,deterministic嗰種「解釋」去諗,咁你一開始就已經錯晒方向

(講量子力學嘅interpretation問題就另計)

究竟係波定粒子? 點解有觀察者同冇會有分別?

點解釋量子擦除實驗?

都係理解唔到量子力學, 睇黎我都係古典力學人

波同粒子其實同一樣嘢嚟

喺量子場論,粒子係量子場(波)嘅局部激發態

比喻你可以諗成類似水波(量子場)嘅漣漪咁

另觀察=/=有意識生命體做出「觀察」動作

物理學上「觀察」,只係指宏觀系統同量子系統發生相互作用嘅泛稱嚟

唔好望文生義,睇少啲9up科普

#27 女鬼夜行
18/04/21 15:13

唔明你想要咩解釋

如果你想要用經典物理學,deterministic嗰種「解釋」去諗,咁你一開始就已經錯晒方向

(講量子力學嘅interpretation問題就另計)

究竟係波定粒子? 點解有觀察者同冇會有分別?

點解釋量子擦除實驗?

都係理解唔到量子力學, 睇黎我都係古典力學人

波同粒子其實同一樣嘢嚟

喺量子場論,粒子係量子場(波)嘅局部激發態

比喻你可以諗成類似水波(量子場)嘅漣漪咁

另觀察=/=有意識生命體做出「觀察」動作

物理學上「觀察」,只係指宏觀系統同量子系統發生相互作用嘅泛稱嚟

唔好望文生義,睇少啲9up科普

嗯嗯, 果然係CE physics應付唔到既課題

#28 牛河博士生
18/04/21 15:37

究竟係波定粒子? 點解有觀察者同冇會有分別?

點解釋量子擦除實驗?

都係理解唔到量子力學, 睇黎我都係古典力學人

波同粒子其實同一樣嘢嚟

喺量子場論,粒子係量子場(波)嘅局部激發態

比喻你可以諗成類似水波(量子場)嘅漣漪咁

另觀察=/=有意識生命體做出「觀察」動作

物理學上「觀察」,只係指宏觀系統同量子系統發生相互作用嘅泛稱嚟

唔好望文生義,睇少啲9up科普

嗯嗯, 果然係CE physics應付唔到既課題

其實初階入門級嘅量子力學,例如Schrodinger equation咁

唔算真係好難,識高中數學係可以應付到

一般人初學量子力學

通常最大問題係固有概念問題

即成日想嘗試套用日常生活,嗰種古典物理學概念去理解量子世界

#29 國民黨孫大砲
20/04/21 00:03

搵g factor係點樣計晒啲 loop Feynman diagrams?

用電腦計,好似係

其實最難計只係QCD嗰堆

唔係好識 lattice QCD,可唔可以講解下? 咩係4-stout-improved staggered quarks?

strong force, quarks, virtual gluon 好似唔係好關 lepton事?

CERN: 如果唔同flavour係same probability,即係e 33%, µ 33% tau 33%? (話唔定 lepton 可以好似 neutrino 咁轉flavour)

#30 牛河博士生
20/04/21 06:01

搵g factor係點樣計晒啲 loop Feynman diagrams?

用電腦計,好似係

其實最難計只係QCD嗰堆

唔係好識 lattice QCD,可唔可以講解下? 咩係4-stout-improved staggered quarks?

strong force, quarks, virtual gluon 好似唔係好關 lepton事?

CERN: 如果唔同flavour係same probability,即係e 33%, µ 33% tau 33%? (話唔定 lepton 可以好似 neutrino 咁轉flavour)

Lepton不嬲會「轉flavour」㗎喎

即tau/muon會衰變做電子

(不過冇得就咁反向電子變muon/tau,因為違反能量守恆)

我都唔識lattice QCD

不過以我所知,個概念係將空間變成lattice咁計

呢個係non-perturbative approach嚟

完全唔同傳統嗰種玩perturbative order爆Feynman diagrams

#31 痴線大狗公
20/04/21 07:37

我有留意

超強黑洞吸力

#32 痴線大狗公
20/04/21 07:38

今次睇唔明

jaga

未睇

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