在实验中探索奇异粒子与新物理学

标准模型在解释物质组成的基本粒子和它们在相互作用中表现的自然基本力的性质领域取得了巨大成功，但标准模型的描述仍然有不完善、不完整的内容，物理学家达成了一致性的看法，推动天体运动的引力没有纳入到标准模型的框架，暗物质和暗能量占到了宇宙总成分的95％以上，在过去的几十年中，物理学家一直在努力寻找宇宙中的暗物质粒子，这已超出了标准模型概括的范围，从粒子模型预测的无质量的中微子与在实验中发现的有质量的中微子产生了有待解释的冲突。

在物理实验中发现偏离模型预测的异常现象，通过对异常、反常或超常现象的理论分折和重构，二十一世纪的物理学家可能找到创立新物理学的线索，好似二十世纪的物理学家从经典物理学的不完善、不完整中找到了创立量子物理学的突破口和机遇。物理学家在二十世纪和二十一世纪上半期的机遇与挑战遵从科学哲学历史逻辑论或逻辑历史论的等效原理。在二十世纪创建并完善的量子力学与在二十一世纪将要开启并建构的新物理学有异曲同工之妙。

除了从加速器实验发掘新物理学的线索以外，非加速器类的物理实验也蕴涵了发现新物理学的契机，其中包括了中外科学家正在进行的太空暗物质和反物质搜索的实验，在深层地下矿井和隧道开展的暗物质粒子探测的实验，通过大型单口径射电望远镜和射电望镜阵列进行巡天搜索，使用激光干涉引力波观测台、X射线和伽玛射线天文台等。新科学哲学的等效原理是不确定性原理和互补原理的理论来源，这可以从寻找新物理学突破口的多重先进物理实验中找到答案。

通过粒子加速器和非粒子加速器的精确性实验能够获得新物理学的洞见和线索，两类物理实验结果适从科学哲学途径论的等效原理。加速器和非加速器的实验方式对于拓展新物理学的领域产生了互补性和融合性，而科学哲学的不确定性原理说明了诸如：人们现在无法预测“暗物质粒子”究竟从那种、那个实验室首先被发现，暗物质粒子也许潜藏在普通物质结构的内部，LHC的粒子碰撞实验可以把它们“释放”出来，暗物质也许躲藏在太空的所有星系和每一个角落，在地下的和太空进行的暗物质信号搜索可以发现它们的踪迹。

新物理学的发现之旅与多种前沿物理学的重大实验有关，比如：7个国家、35个研究机构的200多位科研人员参与了费米实验室的缪子反常磁矩实验。费米实验室在2021年4月9日发布了一份公报，公布了有关缪子反常磁矩测量的第一批实验结果，缪子是一种大质量电子的基本粒子，它的属性与标准模型的预测存在偏差，这预示了未知的粒子或自然基本力的存在。费米实验室的粒子加速器好似产生大量亚原子粒子的“缪子工厂”，宇宙射线在穿越地球大气层时自然地产生了大量缪子，通过实验手段和自然方式产生的缪子适合科学哲学途径论的等效原理。

磁矩是粒子磁性的一个物理参数，缪子的磁矩在强磁场作用下发生了进动或摇晃，好似旋转的陀螺在转速下降时发生了摇晃，磁矩的摇摆和陀螺仪仔的摇晃适合科学哲学形式论的等效原理。费米实验室和布鲁克黑文实验室之前的测量结果完全相同，两个物理实验室的磁矩测量结果与理论预期值存在4.2倍的标准方差。磁矩是缪子的内禀或固有属性，缪子的磁矩大小决定了它的进动或摆动的频率，磁矩与进动频率的比值被称为g—因子。

理论物理学家从量子力学解释了缪子磁矩的反常行为，在加速器的环形磁场运动的缪子与微观时空内的量子泡沫发生了相互作用，缪子进动或摆动发生了加快或减慢的频率，g一因子随之变化，在微观时空的量子泡沫中可能存在影响g一因子的某种粒子或力的作用。目前的实验数据和测量精度预示着现有的标准模型可能有更大的适用范围和拓展空间，新的物理机制的出现可能意味着新物理学的产生。

“希格斯工厂”成了物理学家的向往之地，希格斯玻色子是物理学家在标准模型中发现的最后一个“空格”的粒子，但物理实验的种种迹像表明了，希格斯粒子的发现似乎不是粒子物理学的终点，而是新物理学的开端。2021年2月16日，欧洲核子研究中心大型强子对撞机实验室的科学团队发布了有关希格斯粒子属性的最新研究成果，他们找到了希格斯粒子衰变为两个轻子和一个光子的首个证据，两个轻子为相反电荷的电子对或缪子对。

寿命极短的希格斯粒子出现后迅速衰变为质量更小的基本粒子，依据标准模型的理论预期，希格斯粒子将衰变为两个光子，而衰变为两个轻子和一个光子的情形或“达利玆衰变”极为罕见。LHC的两个实验室——超环面仪器实验室ATLAS和紧凑缪子线圈实验室CMS的科学团队发现了希格斯粒子罕见衰变的情形。大型强子对撞机LHC是人类科学史上建造的一台最大实验机器，这是目前世界上能级最高的粒子加速器，全球100多个国家和地区的上万名科研人员共同参与了超级机器的设计、建造和运行。

从上个世纪90年代以来，中国LHC科学团队参加了LHC四个实验室的研究项目，在2012年希格斯粒子的发现和属性的精确测量中发挥了重要作用。经过3年多的维护和技术升级，LHC在7月5日正式开启了第三轮运行，粒子碰撞的能级达到了创纪录的13.6万亿电子伏特。科学专业人士指出，升级后的LHC可能发现在较低能量下看不到的粒子，甚至带来有关暗物质粒子的线索，拓展标准模型的边界和应用场景变得可能。迄今为止，LHC的科学家发现了66种复合粒子，其中包括了“四夸克”和“五夸克”，五夸克由一个粲夸克和一个反粲夸克、一个上夸克和一个下夸克、一个奇夸克组成。