[科普中国]-推翻粒子物理标准模型？缪子新实验可能揭示新物理的存在

上帝要掷新的骰子了吗？

4月7号，美国费米实验室公布了缪子（μ子）反常磁矩的测量结果。新的结果和当今物理学理论的预言有 显著差别 ，旧有的标准模型逢上了前所未有的挑战。新鲜出炉的实验数据与理论预测值的偏差，很可能标志着新物理学的存在。

缪子g-2实验装置中的磁铁 | Fermilab, Reidar Hahn

我们知道，物质如同俄罗斯套娃一般，可以被抽丝剥茧一层层细分到更微观的单元。分子到原子，原子到原子核和核外电子，原子核到质子和中子。在目前最高精度的物理学研究中，质子和中子由更小的夸克组成。而对于原子核外的电子，科学家们目前还没能找到比它更小的组成。因此，我们将诸如夸克、电子等粒子称为“基本粒子”。还有一种没法继续拆分的基本粒子，就是 缪子（μ子） 。

缪子（μ子）和电子很像，都带一个电荷。他们共同属于一个叫做“轻子”的家族。这个家族有“三兄弟”，包括电子、缪子、陶子和各自的中微子（中微子是一种不带电荷也几乎没有质量的粒子，如同三兄弟的随身管家）。最轻的电子和电子中微子被称为第一代。而缪子属于第二代，他的质量是电子的约200倍，是电子的“大哥哥”。

轻子家族 | 原图：Akimoto, Yuki @ higgstan；汉化：张策

可惜缪子体量虽大，寿数却并不长。他的平均寿命只有 2.2微秒 （1微秒等于百万分之一秒），一旦“出生”，很快就会衰变成电子，并同时产生两个中微子。

缪子顷刻间“灰飞烟灭” | 原图：Akimoto, Yuki @ higgstan；汉化：张策

缪子如此转瞬即逝，难以摸清它的踪迹。也因为如此，更多的真相等待被发掘。

测量磁矩：

标准模型的骄傲

物理学认识任何一种粒子，都需要对其性质进行测量。由于缪子带电，并且这个电荷可以看成绕着粒子中心旋转，在电磁学中，一个绕转的电荷可以等效地看成是一个环绕的电流线圈。这个电流线圈内部会形成和磁铁类似的磁力线排列，可以测得其磁矩。科学家用“自旋”这样一个物理量来描述等效的电荷自转。而磁矩和自旋这两个物理量之间的比值系数，被称为“ g因子 ”。通过经典物理的计算，科学家们发现，诸如电子、缪子这样的粒子的自旋g因子是常数2。

然而，随着量子力学和量子场论的发展，g因子并不精确为2。对于电子和缪子这样来自轻子家族的粒子，其观测值和经典结果有差距，因此科学家们将异常磁矩定义为 (g-2)/2 。

异常磁矩的测量贯穿了二十世纪后半叶量子场论和粒子物理标准模型的发展，物理学家们逐渐将异常磁矩测量得越来越精确。电子磁矩在2006年被哈佛的研究团队重新测量，和半个世纪以来标准模型的预言几乎惊人的一致，小数点之后的13位的理论预言都得到了证实! 这是人类能验证的最精确的自然科学的预言。

缪子新数据：

是谬误还是新的赞歌？

科学家们发现，如果把缪子放在磁场中，由于缪子磁矩的存在，缪子磁矩的方向会被磁场改变，如果自旋的方向和磁场的方向不平行，则缪子的磁矩方向会围绕着磁场的方向转动。

磁场中的缪子 | 作者团队制作

这和我们日常生活中的陀螺旋转十分类似。当我们抽打陀螺使其转动的时候，陀螺除了自身的转动之外，其中心轴还会绕着重力的方向转动。只不过，在微观世界中，重力的方向换成了磁场的方向，而陀螺自身转动就对应于缪子的磁矩。

缪子在磁场的转动好比螺旋旋转 | Wikimedia Commons, Lucas Vieira / public domain

利用这一特性，费米实验室的科学家将缪子放在磁场中，并使缪子绕着一个环运动。这样一来，缪子不仅仅自身在转动，同时还在绕着环运动。

他们发现，如果测量缪子绕环转动的频率（ωc）和缪子自我旋转的频率（ωs）的话，通过计算这两个频率之差就可以得到缪子异常磁矩的信息。两个转动频率之差，和缪子的反常磁矩因子（g-2）可以通过下面的公式十分简洁地联系起来：

反常磁矩因子（g-2）计算公式 | 作者团队供图

最终科学家们测量得到了最新的异常磁矩g因子。其精度之高，相当于重复40000多次相同的实验，只有1次结果有可能是误差引起的。而这一最新的g因子数值却与理论计算的预言不符。科学家们推测，也许缪子的背后，还有一些特殊的粒子尚待发掘。这些特殊的粒子在缪子运动的时候悄悄跟在缪子后面阻碍其运动，而它们很可能预示着 新的物理世界 ！

“神秘的粒子”可能是物理新世界 | 原图：Akimoto, Yuki @ higgstan；汉化：张策

不过，目前费米实验室公布的异常磁矩测量结果只是初步的。现在的结果所用的数据只占最终他们计划取得的数据量的 6% ，取数可能在两年内完成。期间费米实验室还将持续更新他们的结果，最终的目标是将现有的精度再提高 4倍左右 ，并且很有可能揭示让高能物理界公认的“发现”。此外，对缪子反常磁矩的理论计算也在多方同步进行。日本也提出了全新的缪子反常磁矩测量实验项目，并计划2025年开始运行。更多的答案等待着时间来揭晓，也许在不久的将来，我们新生代的同学，将会有更多的物理学考点，快来一起围观，早些划好重点。

参考文献

[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] Farley, F. J. M., & Semertzidis, Y. K. (2004). The 47 years of muon g− 2. Progress in Particle and Nuclear Physics, 52(1), 1-83.

[3] Saito, N., & J-PARC g− 2/EDM Collaboration. (2012, July). A novel precision measurement of muon g-2 and EDM at J-PARC. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1467, No. 1, pp. 45-56). American Institute of Physics.

作者：舒菁

编辑：蔡祎

排版：凝音