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？（What is a muon?）
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＝mc2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。
LHCb最近同muon有關嘅初步「發現」（Recent “discovery” at LHCb）
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，跟住落嚟講嘅哩兩單新聞，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」sosad）
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）嘅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。
Fermi Lab muon g-2實驗結果公佈 （Recent results of the Fermi Lab g-2 experiments）
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。
(Creator:Chandra X-ray Observatory Center
Credit:NASA/CXC/FIT/E.Perlman et al, Illustration: NASA/CXC/M.Weiss)
（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」這個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
後記
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」，早喺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哩個「發現」係真定假。所以哩個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。
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
論盡物理宇宙 - 某80後物理學博士的科普blog 