2021年物理學各領域都有哪些進展？| istockphoto.com，by Alena Butusava
編者按
儘管新冠疫情肆虐，科學的腳步沒有因此而停下，全世界的物理學家繼續為物理學大廈添磚加瓦。
在春節來臨之際，《知識分子》邀請復旦大學物理學系教授施鬱評介2021年物理學各領域的進展，今天刊發粒子物理部分，標題為編輯所加。看過之後，您有哪些感受，歡迎在評論區留言討論。
撰文 | 施鬱（復旦大學物理學系教授）
● ● ●
2012年希格斯粒子發現後，粒子物理標準模型完全確立。但是中微子質量、宇宙中的物質－反物質不對稱和暗物質都顯示出超越標準模型的跡象。
目前，世界上能量最高的對撞機並沒有給出直接的線索，高精度測量依然是尋找超越標準模型的粒子物理的重要途徑。在標準模型範疇之內，也有一些引數值得精確測量。那麼，過去這一年，有哪些超越標準模型的跡象顯現呢？
繆子反常磁矩
經典電動力學中，磁矩正比於角動量，比例係數叫做旋磁比。量子力學中，有一種內稟角動量，叫自旋，也導致磁矩，但是比例係數在旋磁比基礎上，還要再乘以一個叫做g因子的係數。對於電子和繆子來說，g=2。
但在量子場論中，由於其他量子場的相互作用，導致很多虛粒子，使得電子和繆子的g都大於2，叫做反常磁矩。
歷史上，電子反常磁矩在量子電動力學重整化中發揮過作用。繆子的質量是電子的一百多倍，因此它的反常磁矩更大。
g的準確數值可以根據粒子物理標準模型計算。標準模型是包含電磁、弱和強三種基本相互作用和已知基本粒子的量子場論。因此g-2是對標準模型的精確檢驗，是尋找超越標準模型的跡象的一個途徑。
20年前，布魯克海文實驗室的實驗結果與標準模型計算結果相差百萬分之幾，是實驗結果的標準偏差σ的2.7倍，記作2.7σ。後來理論計算的準確性不斷提高。2020年，實驗-理論差異達到3.7σ。
最近，費米實驗室釋出了它新一代g-2實驗的結果，證實了20年前的實驗結果，實驗-理論差異達到4.2σ [1,2]。σ前面的倍數越大，說明結果越可信。
費米實驗室的實驗所用的磁鐵正是最初布魯克海文實驗室所用的磁鐵，但是他們的繆子束更純更強。一個關鍵在於精確測量磁場，他們用了幾百個核磁共振感應器。
這個結果基於對2018年實驗的分析，對2019和2020年實驗的分析也在進行中，據稱，實驗-理論的差異將來可以達到7σ。約10年後，J-PARC的E34實驗還將用不同的技術測量g-2。
在將差異歸結為超出標準模型之前，還要完善標準模型內的理論計算。較難計算的是強子真空極化過程，需要用格點規範理論。
有一個格點規範理論組指出，他們的計算結果與實驗結果的差別只有幾十億分之一，因此標準模型似乎沒問題 [3]。但是這還需要有其他組的獨立檢驗。
輕子味普適性破壞的可能性
在標準模型中，電子和繆子是不同味的輕子，它們與希格斯粒子的相互作用不一樣，但是與其他粒子的相互作用一樣，叫做輕子味普適性。
如果繆子反常磁矩來源於對標準模型的超越，可以看成對輕子味普適性的破壞，也就是說，不同味的輕子之間的差別大於標準模型中的情況。
2021年，還有其他實驗論文提出輕子味普適性破壞的跡象 [4]。CERN的LHCb實驗表明，b夸克衰變為s夸克，並伴隨產生正反輕子對時，所產生的正負繆子對明顯多於正負電子對，差別達到了3.1σ [4,5]。CERN的CMS的正負質子碰撞實驗中，觀測到的高能正負電子比正負繆子多 [6,5]。
此前就有其他跡象。b夸克衰變為s夸克的關聯和衰變率，與標準模型預言差別達5σ以上；b夸克衰變為c夸克，伴隨產生輕子和中微子的過程中，陶子（另一種味）明顯多於電子或繆子，差別達到3σ；有的貝塔衰變體現出所謂的卡比博角反常，達到3σ，也說明繆子與電子的差別大於標準模型結果。
這些輕子味普適性的破壞還需要更多更精密的測量來確定。
中微子振盪探測的模型要修改
實驗上觀測到的中微子有明確的味，用量子力學語言說，是味本徵態（在某某本徵態，某某就是確定的）。每個味本徵態是三個不同質量本徵態的疊加態，因此中微子有振盪。
中微子振盪的測量基於與核子的相互作用，但是描述這個相互作用的理論模型並沒有直接的實驗驗證。 最近美國Jefferson實驗室CLAS和e4ν合作組的電子-核子散射實驗，發現電子-核子相互作用需要修改。因為中微子-核子的相互作用與之相似，所以也需要修改 [7,8]。
尋找暗物質
宇宙中引力現象表明，暗物質和暗能量應該存在，但是沒有被直接觀測到。
暗物質的證據主要來自星系的旋轉行為、引力透鏡、星系形成等等方面。暗能量的證據主要來自宇宙加速膨脹。
現在一般認為，宇宙中的所有物質-能量中，只有5%是普通物質（組成成分不超出粒子物理標準模型中的基本粒子），27%是暗物質，還有68%是暗能量。
尋找暗物質和暗能量是科學前沿課題。人們提出了種種暗物質假說，並試圖在實驗室裡找到。
2013年開始，“暗能量巡天” 合作組基於智利的Blanco望遠鏡，繪製所有的星系圖，以提供宇宙中物質分佈的資訊，確定宇宙中可見物質和暗物質的分佈。2019年完成了6年觀測。
最近，他們用一個理論模型，分析了其中第一年的觀測資料，描寫了幾種測量的關係：星系分佈，形成星系團的星系的分佈，以及遙遠星系的光被地球附近物質所扭曲的情況。他們給出了對於可見物質和暗物質的密度及其漲落的新限制，將取值範圍壓縮了20% [9,10]。
20年前，義大利的DAMA/LIBRA實驗聲稱有暗物質粒子的跡象。最近與之相似的西班牙ANAIS實驗（基於摻鉈碘化鈉閃爍器）發表對三年實驗資料的分析，與DAMA/LIBRA結果的差別是2.7σ [11,12]。明年他們有望達到3σ。
弱相互作用有質量粒子（WIMP）是一種熱門的暗物質候選者。軸子是另一種，最初是維爾切克和溫伯格各自獨立提出的假想粒子（採納了維爾切克的命名），以解釋強相互作用不破壞CP對稱性。
去年，位於義大利Gran Sasso山的XENON1T實驗曾經探測到訊號，不能輕易解釋為噪聲（285個事件，比正常的232個噪聲事件多3.5σ），但是電子-光子比值又大於弱相互作用有質量粒子（WIMPs）所能導致的值。
他們指出有三個可能：太陽來的粒子、不同於WIMPs的暗物質、放射性汙染。去年其他作者也發表了好幾種理論解釋，包括軸子、WIMPs、加速的冷暗物質、非標準中微子，等等。
華盛頓大學的軸子暗物質實驗（ADMX）旨在尋找軸子。最近它基本上排除了某個模型下3.3到4.2微電子伏特之間（改探測器的敏感能區）的軸子，同時也對其他模型中軸子性質給出嚴厲限制 [13,14]。
位於四川錦屏山下3000米，由上海交通大學牽頭的PandaX-4T實驗，採用氙探測器，尋找WIMPs。
去年7月，他們釋出了更新後的最新成果，對40GeV的WIMPs與核子的無自旋相互作用給出嚴厲限制。目前實驗組在進一步降低放射性導致的背景噪聲，將來有望對於WIMPs和軸子給出進一步限制 [15,14]。
PandaX-4T | 圖源：https://pandax.sjtu.edu.cn/pandax4
隨著尋找WIMPs的探測敏感度不斷提高，正在逼近 “中微子地板”，即WIMPs能被探測的下限。中微子和假設存在的WIMPs都與原子核散射，跡象類似，因此如果到了探測器的 “中微子地板”，WIMPs的訊號就淹沒於中微子的訊號中。這限制了何種暗物質粒子能被發現。
但是中微子地板取決於中微子通量的不確定性，可以透過增加事件數來克服。最近悉尼大學的O’Hare改進了中微子地板的定義，使得統計上更有意義，而且不依賴於具體實驗引數。
在新定義下，為了克服中微子地板，質量中等的WIMPs的散射率保持不變，質量太大或太小的WIMPs則需要更大的散射率 [16,17]。另一方面，因為中微子地板來自一種特殊的中微子過程，叫做相干彈性中微子-核子散射，探測器的靈敏度逼近中微子地板使得這種訊號得以被探測，提供了研究新物理的新機會 [18]。
2021年還有探測暗物質的新探測方法和新途徑發表。
芝加哥大學的Dixit等人提出，用超導量子位元探測某些暗物質（暗光子或軸子）轉變來的光子，比其他探測手段更敏感。
在這個方法中，超導量子位元檢測微波腔中的光子數。他們的實驗已經排除了某些引數區的暗光子。經過改裝，增加磁場，這個裝置還可以用於探測軸子 [19,20]。
引力波探測器和量子增強的干涉儀可以用於暗物質探測。
英國Cardiff大學的Grote等人報告了用位於德國Hannover的引力波探測器GEO600尋找標量場暗物質的結果。理論上，這樣的暗物質來源於宇宙早期。GEO600使用壓縮光，超越了量子顆粒噪聲極限。而且，在所有的引力波探測器中，GEO600對於分束器處的光學相位差最敏感，因此最適合於暗物質探測。
他們已經得到了一些結果。具體來說，給出了標量場暗物質作為質量函式的耦合常數的上限，將上限改進了6個數量級 [21]。
斯坦福直線加速器實驗室的Leane和俄亥俄州立大學的Smirnov提出，可以透過系外行星的溫度來揭示暗物質的效應，從而得到暗物質在星系中的分佈。
在某些模型中，銀河系處於一個暗物質的球形暈中，暗物質粒子被天體上的電子或核子散射後，可以被天體的引力吸引住，而某些暗物質粒子湮滅後產生光子或其他粒子，因此對天體有加熱效應。
今後5年，人類有望發現幾萬顆系外行星，這些系外行星可以充當能量在GeV以下的暗物質探測器。剛剛發射的韋布太空望遠鏡可以探測到被加熱的氣態巨行星、褐矮星和無恆星的流浪行星 [22,23]。
用現在疫情中熟悉的語言說，暗物質檢測結果迄今是陰性。會不會暗物質其實不存在，只需要修改引力理論，就可解釋那些視為暗物質證據的引力現象？
MOND（修改了的牛頓動力學）理論就是這樣的無暗物質理論，最初是為了解釋星系旋轉資料而提出，後來經過相對論推廣後，也能解釋引力透鏡現象。但它原來不能自洽解釋所有的現象，特別是宇宙微波背景輻射這個非常重要的現象。最近，捷克科學院的Skordis和Zlosnik提出一種MOND模型，能在與引力現象融洽前提下解釋宇宙微波背景輻射 [24,25]。
一百多年前，物理學家試圖找到以太而未果，後來愛因斯坦提出狹義相對論，以太假說被拋棄。歷史會不會重演？會不會將來一個全新的理論使得暗物質（或者暗物質和暗能量）假說也被拋棄？
我們只能讓物理學子彈再飛一些年，拭目以待。
粒子物理和核物理的其他進展
電荷共軛（C）變換是指在理論中，將粒子變成它的反粒子。宇稱（P）變換指將空間方向變為反方向。標準模型中，在CP聯合變化下，弱相互作用微弱地變化了，叫做CP破壞。
CP破壞導致中性D介子及其反粒子是味本徵態，是不同質量本徵態的疊加態。因此它們之間能發生振盪，或者說混合。振盪頻率取決於兩個質量本徵態的質量差。最近LHCb測量出這個質量差是3X10-39克 [26,27]。
如果CP變換的同時，也聯合進行時間反轉（T）變換，那麼物理規律保持不變，叫CPT定理。用反質子和正電子組成反原子，可以在比基本粒子更大的尺度檢驗CPT定理，而且檢驗的精度也非常高。
1995年，CERN曾經制備了11個反氫原子，但是每個反原子只存在了幾十納秒。現在CERN的ALPHA合作組可以很平常地製備1千多個反氫原子，並能存在很多小時。他們用磁場約束住反質子和正電子的混合體，製備出反氫原子，再用更復雜的磁場囚禁住，用多普勒冷卻的方法進行鐳射冷卻。他們以1/1012的精度測量能級之間的躍遷頻率，與氫原子一樣，驗證了CPT定理 [28,29]。
質子冷卻方面，CERN的BASE實驗組藉助於相距9釐米的離子，用共同冷卻的方法，將一個質子的溫度降低了85%。這個方法有望用於反物質 [30,31]。
反中子和超子通常較難獲得，中科院高能物理所的苑長征和特拉維夫大學的Karliner指出，巨量的反中子和超子可以從J/ψ介子的衰變獲得。比如，100億J/ψ時間可以產生8百萬個反中子 [32,33]。
洛斯阿拉莫斯UCNτ實驗透過用磁場囚禁超冷種子，將中子平均壽命的測量精度比原來提高了一倍。他們測定的中子平均壽命是877.75秒 [34,35]。
原子核中的核子如果足夠多，形成庫珀對，類似超導或超流配對。眾所周知，庫珀對可以在兩塊超導體之間隧穿，叫做約瑟夫森效應。勞倫斯利物浦試實驗Potel等人證實，重離子碰撞實驗中，碰撞的原子核之間發生配對中子的約瑟夫森效應 [36,37]。
CP破壞導致在分子中產生電偶極矩和電荷分離，因此放射性分子可以用來敏感地測量CP破壞 [38]。
加州大學Santa Barbara分校Fan等基於鐳射的實驗給出了產生和識別放射性分子的新方法，用電場囚禁鐳射冷卻的鐳離子，再與甲醇蒸汽混合，反應產生放射性分子 [39]。
加州理工大學的Yu和Hutzler的理論分析表明，這個分子很適用於研究對稱破缺和尋找超越標準模型的物理 [40]。
麻省理工學院的Udrescu等人測量了不同鐳同位素的氟化鐳分子的能級 [41,42]。他們研究了氟化鐳分子能級與鐳同位素原子核大小的關係。
這個方法使得人們可以設計各種放射性分子來檢驗CP破壞。透過鐳射光譜與原子理論的結合，可以獲得原子核大小和形狀的資訊，從而檢驗核結構理論。這些方法還可以用於尋找超越標準模型的效應和暗物質。
參考文獻：
[1] B. Abi et al. (Muon g-2 Collaboration), “Measurement of the positive muon anomalous magnetic moment to 0.46 ppm,” Phys. Rev. Lett. 126, 141801 (2021).
[2] Priscilla Cushman, Muon’s Escalating Challenge to the Standard Model, Physics 14, 54, April 7, 2021.
[3] Adrian Cho, Calculation could dim hopes for new physics, Science 372, 226 (2021).
[4] LHCb Collaboration, arXiv:2103.11769 (2021).
[5] Andreas Crivellin, Martin Hoferichter, Hints of lepton flavor universality violations26 , Science 374, 1051 (2021).
[6] A. M. Sirunyan et al., JHEP 2021, 208 (2021).
[7] Khachatryan, M. et al. Nature 599, 566–570 (2021).
[8] Noemi Rocco , Electrons show the need for improved neutrino models, Nature 599, 560 (2021).
[9] C. To et al. (DES Collaboration) ,“Dark Energy Survey year 1 results: Cosmological constraints from cluster abundances, weak lensing, and galaxy correlations,” Phys. Rev. Lett. 126, 141301 (2021).
[10] Sophia Chen, A New View of the Universe’s Dark Side, April 6, 2021, Physics 14, s44.
[11] J. Amaré et al., “Annual modulation results from three-year exposure of ANAIS-112,” Phys. Rev. D 103, 102005 (2021).
[12] Erika K. Carlson, Experiment Casts Doubt on Potential Dark Matter Find, May 27, 2021, Physics 14, s71.
[13] C. Bartram et al., “Search for invisible axion dark matter in the 3.3–4.2 meV mass range,” Phys. Rev. Lett. 127, 261803 (2021).
[14] Marric Stephens, Tightening the Net on Two Kinds of Dark Matter, December 23, 2021, Physics 14, s164.
[15] Y. Meng et al., “Dark matter search results from the PandaX-4T commissioning run,” Phys. Rev. Lett. 127, 261802 (2021).
[16] C. A. J. O’Hare, “New definition of the neutrino floor for direct dark matter searches,” Phys. Rev. Lett. 127, 251802 (2021).
[17] Christopher Crockett, Redefining How Neutrinos Impede Dark Matter Searches, December 16, 2021, Physics 14, s154.
[18] Michael Schirber, Neutrinos Rising from the Floor, June 29, 2021, Physics 14, 96.
[19] A. V. Dixit et al., “Searching for dark matter with a superconducting qubit,” Phys. Rev. Lett. 126, 141302 (2021).
[20] Erika K. Carlson, Qubits Could Act as Sensitive Dark Matter Detectors, April 8, 2021, Physics 14, s45.
[21] Sander M. Vermeulen, et al., Direct limits for scalar field dark matter from a gravitational-wave detector, Nature 600, 424 (2021).
[22] R. K. Leane and J. Smirnov, “Exoplanets as sub-GeV dark matter detectors,” Phys. Rev. Lett. 126, 161101 (2021).
[23] Marric Stephens , Detecting Dark Matter in Exoplanets, April 22, 2021, Physics 14, s46.
[24] C. Skordis and T. Złośnik, “New relativistic theory for modified Newtonian dynamics,” Phys. Rev. Lett. 127, 161302 (2021).
[25] Michael Schirber, Dark Matter Alternative Passes Big Test, October 15, 2021, Physics 14, 143.
[26] R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), “Observation of the mass difference between neutral charm-meson eigenstates,” Phys. Rev. Lett. 127, 111801 (2021).
[27] Soeren Prell, Unraveling D-Meson Mixing, Physics 14, 124, September 7, 2021.
[28] Baker, C. J. et al. Nature 592, 35–42 (2021).
[29] Baur Masaki Hori, Antimatter cooled by laser light, Nature 592, (2021) 27.
[30] Manas Mukherjee Single proton cooled by distant ions, Nature 596, 490 (2021).
[31] Bohman, M. et al. Nature 596, 514–518 (2021).
[32] Erika K. Carlson, Generating Antineutrons and Hyperons with Existing and Future Facilities, June 30, 2021, Physics 14, s85
[33] C. Z. Yuan and M. Karliner, “Cornucopia of antineutrons and hyperons from a super J/y factory for next-generation nuclear and particle physics high-precision experiments,” Phys. Rev. Lett. 127, 012003 (2021). [34] Gonzalez, F. M. et al. Phys. Rev. Lett. 127, 162501 (2021).
[35] de D. Castelvecchi NEUTRON’S LIFETIME MEASURED WITH HIGHEST EVER PRECISION, Nature 598, 28 October 2021, 549.
[36] G. Potel et al., “Quantum entanglement in nuclear Cooper-pair tunneling with γ rays,” Phys. Rev. C 103, L021601 (2021).
[37] Piotr Magierski The Tiniest Superfluid Circuit in Nature, February 25, 2021, Physics 14, 27.
[38] Ronald F. Garcia Ruiz, Designer Molecules for Fundamental-Symmetry Tests, January 11, 2021, Physics 14, 3.
[39] M. Fan et al., “Optical mass spectrometry of cold RaOH+ and RaOCH+3 ,” Phys. Rev. Lett. 126, 023002 (2021).
[40] P. Yu and N. R. Hutzler, “Probing fundamental symmetries of deformed nuclei in symmetric top molecules,” Phys. Rev. Lett. 126, 023003 (2021).
[41] S. M. Udrescu et al., “Isotope shifts of radium monofluoridemolecules,” Phys. Rev. Lett. 127, 033001 (2021).
[42] Jaideep Taggart Singh, Sizing up Exotic Nuclei with Radioactive Molecules, July 14, 2021, Physics 14, 103.
製版編輯 | 盧卡斯
