二十年前，美國能源部(DOE)布魯克黑文國家實驗室的一項實驗發現：已建立的粒子物理理論與實際實驗室測量之間存在神秘的不匹配，當研究人員測量一種名為µ子的亞原子粒子行為時，結果與理論計算不一致，對標準模型構成了潛在的挑戰（標準模型是目前對宇宙運行方式的理解）。從那時起，世界各地的科學家一直在努力驗證這種差異，並確定其重要性。
答案可能是堅持標準模型，該模型定義了所有已知的亞原子粒子以及它們是如何相互作用的，或者引入了一種完全未被發現的物理學可能性。一個多機構的研究小組（包括布魯克海文、哥倫比亞大學，以及康涅狄格大學、名古屋大學和雷根斯堡大學，RIKEN）使用了阿貢國家實驗室Mira超級計算機來幫助縮小對這種差異的可能解釋，提供了一個新的精確理論計算，精煉了這個非常複雜難題的一部分。
這項研究由能源部科學辦公室通過其高能物理和先進科學計算研究計劃辦公室提供部分資金，其研究成果已發表在《物理評論快報》期刊上。µ子是電子的較重版本，具有相同的電荷，正在討論的測量是µ子的磁矩，它定義了粒子在與外部磁場相互作用時如何擺動。早些時候的布魯克海文實驗，被稱為µg-2，檢查了µ子與直徑50英尺電磁鐵存儲環相互作用時的情況。
實驗結果與理論預測值的偏差非常小，以百萬分之幾計算，但在標準模型領域，這樣的差異足夠大，以至於值得注意。研究的合著者、康涅狄格大學的物理學家托馬斯·布魯姆說：如果同時考慮到計算和測量中的不確定性，就無法判斷這是一個真正的差異，還是僅僅是一個統計波動，因此，實驗學家和理論家都在努力提高結果的精度。合著者之一、布魯克海文實驗室的物理學家井內拓指出：
自20世紀40年代以來，物理學家一直在試圖通過比較精確的理論計算和精確的實驗來理解µ子的反常磁矩，這一系列研究促使了粒子物理學的許多發現，並繼續擴大我們在理論和實驗方面的知識和能力範圍。如果實驗結果和理論預測之間的差異確實存在，那將意味著其他一些因素（可能是一些尚未發現的粒子）正在導致µ子的行為與預期不同，標準模型將需要修訂。研究集中在異常中一個出了名的困難方面，涉及強力（強力是自然界中支配粒子相互作用的四種基本力之一）。
另外還有弱力、電磁力和萬有引力，µ子計算中最大的不確定性來自通過強相互作用的粒子，即所謂的強子貢獻。這些強子貢獻是由一種叫做量子色動力學(QCD)的理論定義。研究人員使用了一種叫做格子量子色動力學的方法，分析強子的一種貢獻，即光對光的散射。康涅狄格大學物理學家、論文合著者金陸昌(音譯)表示：為了進行計算，模擬了一個小立方盒中的量子場，其中包含了光對光的散射過程。
在模擬中，可以很容易地得到數百萬個時間點和空間點，研究小組使用這臺安裝在阿貢領導計算設施(ALCF)的超級計算機來求解量子色動力學的複雜數學方程，這些方程編碼了所有可能與µ子發生的強相互作用。美國能源部科學用戶設施辦公室ALCF現在讓Mira退役，為功能更強大的Aurora超級計算機騰出空間，Aurora超級計算機是一個預定於2021年到達的億級系統。
研究的大規模並行系統通過非常快的網絡連接了近50000個節點，使團隊能夠非常高效地運行大型模擬。在進行了四年的計算後，研究人員首次得出了強子光光散射對µ子反常磁矩的貢獻，並控制了所有的誤差。很長一段時間以來，許多人認為這項貢獻（因為它是如此具有挑戰性）可以解釋這種差異。但在發現之前的預估與之相差不遠，實際值無法解釋這種差異。
與此同時，費米國家加速器實驗室正在進行新版本的Muon g-2實驗，旨在將實驗方面的不確定性減少到原來的四分之一倍。這些結果將為目前正在進行的理論研究增添更多洞察。據我們所知，這種差異仍然存在，正在拭目以待，看看這些結果是否共同指向了新的物理學，或者目前的標準模型是否仍然是我們所擁有解釋自然的最好理論。
博科園｜研究/來自：阿貢國家實驗室
研究發表期刊《物理評論快報》
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