來源於Nature Portfolio
原文作者：Holger Müller
對於精細結構常數的高精度測量結果嚴格驗證了粒子物理的標准模型，並大幅限制了目前猜測的粒子的存在性。
每一位物理學家都知道精細結構常數α的近似值（1/137）。這個常數描述了粒子物理標准模型中基本粒子之間電磁力的強度，因此是物理學基礎的核心。例如，氫原子的結合能——即分開原子中電子和質子所需要的能量——大約等於電子質量所對應能量的α2/2倍。進一步地，電子的磁矩比帶電的質點粒子的理論磁矩要略微大一些，即1 + α/（2π）倍。這個「異常」的磁矩已經在越來越高的精度下被驗證成立，並成為了「標准模型最偉大的勝利」<1>。Morel等人在《自然》<2>上發表了一篇文章，以萬億分之81（81 p.p.t。）的精度測量了α的值。是此前最好測量結果的2.5倍<3>。
該測量包含了三個步驟。首先，使用一道激光束讓原子吸收並釋放多個光子。在此過程中，原子會發生反沖（見圖1a）。原子的質量可以通過測量反沖的動能來計算。第二步，使用原子質量對電子質量的比例來計算電子質量<4，5>，這個比例是已知的精確值（見圖1b）。第三步，通過電子質量和氫原子結合能計算α，其中氫原子的結合能可以通過光譜學得出<6>（見圖1c）。
圖1 | 測量精細結構常數的過程。Morel等人<2>發表了一種能以很高精度測量精細結構常數——反映基本粒子間電磁力強度的物理常數——的方法。a，測量該常數時，一束激光會引起原子反沖。圖中的紅色和藍色分別表示光波的波峰和波穀。使用反沖的動能可以計算出原子質量。b，原子和電子質量的比值是有精確值的<4，5>。用這個值和原子質量就可以推導出電子質量。c，最後，電子質量和氫原子的結合能就可以用來計算精細結構常數。結合能可以通過光譜學技術<6>，分析氫原子放出的光子來確定。
但是，反沖能量很小，難以測量。基於激光的原子冷卻技術讓物理學家能夠對原子進行幹涉測量——這一測量技術利用了原子物質波的幹涉現象。在原子幹涉儀中，原子有50%概率會和激光脈沖之中的光子發生相互作用。因此，氫原子同時存在於兩個量子態中：靜止的狀態和吸收了光子動量後移動的狀態。
這種情況相當於產生了兩個反向傳播的粒子物質波。這兩道物質波可以通過發射更多的激光脈沖來重新組合到一起，並產生疊加或抵消的幹涉效果，而這會導致觀測到原子的概率變多或變少。兩道幹涉波之間的相位差與波的傳播時間和反沖能量均成正比。
該測量手段之後又有了更多改進，能夠支持更長的傳播時間，並可以應對更多光子的相互作用。2011年，巴黎Kastler–Brossel實驗室中開發出這一改進的研究組用這項技術以萬億分之660的精確度測量出了α的值<7>。翌年，他們測量了電子的異常磁矩，並推導出了精度為萬億分之250的α值<8>。2018年，我（Holger Müller）在加州大學伯克利分校的團隊發表了一篇通過原子幹涉測量計算α的論文，結果與之前的測量值相符，但精確度<3>提高到了萬億分之200。
現在，Morel等人將精確度提高到了萬億分之81。這是標准模型的又一個勝利，α的測量值和標准模型從異常磁矩中預測的結果一致，並且精度極高。這項結果證明了，例如，電子沒有子結構，確實是基本粒子。如果電子是由更小的粒子組成，它的磁矩就會和觀測結果不一樣。
測量結果還縮小了某些暗區粒子的存在範圍。這是一類可能存在的粒子，有些可能構成了暗物質——即宇宙中無法看到的那部分物質。在量子場論中，真空存在大量「虛擬」粒子，這些粒子會短暫存在然後消失。虛擬的暗區粒子會讓電子的磁矩發生微小卻可測量的改變。
但是，問題仍然存在。雖然每次測量出的α值和標准模型通過異常磁矩預測出的值差別很微小，但Morel等人的測量方法和前兩組的測量方法並不太一致。正如論文<2>中圖1所表示的，他們這篇文章是因為此前兩組的測量值與標准模型的預測值不一致，並且一個大一個小。
作者提出，此前兩組測量值之間的差別可能是因為散斑——激光強度在空間上的微小變化——或是由於電子信號處理中產生相位差。但是，之前的實驗中是否有相位差已經無法測量了，而散斑會產生的測量值差異與實際發生的差異相反。
Morel等人也沒有解釋他們的結果與2018年實驗之間的差距。這兩項實驗的差別在於原子-光子作用中使用的是銣還是銫原子，以及激光制備與准直的方法。這些不同的選擇意味著環境對原子有著不同的影響。
例如，在兩項實驗中，最大的數據修正來源於激光。前文所述的散斑和光束的輻照度分布都會影響原子反沖的強度和方向。如果我的團隊對這些效應修正過度，或是Morel團隊修正不足，就可以解釋結果之間的差異。最大的可能是，這需要進一步的實驗結果來解釋。
因此，實驗物理學家正在想辦法闡明該差異的來源，並再一次挑戰標准模型。我的團隊正准備建造一個可以最精確控制激光波形的原子幹涉測量儀，以進一步提高α的測量精度。此外，對測量原子質量的改進也在進行中<5>。最後，西北大學正在開發測量電子異常磁矩的改進方法。<9>這些改進加在一起，可以讓物理學家接近萬億分之10的精確度。在這個精度下就可以通過實驗觀測到τ輕子——電子的一種更重的兄弟，還可以探索很多尚是假設的暗區理論。
參考文獻：
1。Gabrielse， G。 Phys。
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2。 Morel， L。， Yao， Z。， Cladé， P。
& Guellati-Khélifa， S。 Nature588， 61–65 （2020）。
3。Parker， R。
H。， Yu， C。， Zhong， W。， Estey， B。
& Müller， H。 Science 360， 191–195 （2018）。
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Nature506， 467–470 （2014）。
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Lett。 106， 080801 （2011）。
8。 Aoyama， T。， Hayakawa， M。， Kinoshita， T。
& Nio， M。 Phys。
Rev。
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9。 Gabrielse， G。， Fayer， S。
E。， Myers， T。
G。
& Fan， X。 Atoms7， 45 （2019）。
原文以Standard model of particle physics tested by the fine-structure constant標題發表在 2020年12月2日的《自然》的新聞與觀點版塊上
© nature
doi： 10.1038/d41586-020-03314-0
