原文作者：Davide Castelvecchi
μ子的磁矩比預測值要大——暗示有新的基本粒子等著我們去發現。
μ子——比電子更重也更不穩定的兄弟——依舊非常淘氣。美國的一個實驗證實了此前關於該粒子的一項發現：
μ子的磁性比科學家原本預期的更強
。如果結論成立，或最終迫使理論物理迎來重大變化，揭示新基本粒子的存在。
坐落於芝加哥近郊的費米國家加速器實驗室（費米實驗室）的μ子g-2團隊在4月7日的一次網路直播中公佈了測量結果，並發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）［1］上。
該結果對想要發現其他粒子的人來說“極度鼓舞人心”
，美國肯塔基大學的物理學家Susan Gardner說。
費米實驗室g-2實驗使用的儲存環磁鐵。來源：Reidar Hahn/Fermilab
μ子g-2（讀作g減2）團隊最早在2001年提出μ子有問題［2］，當時的實驗是在紐約州布魯克海文國家實驗室做的。物理學家測量了μ子磁矩（magnetic moment）的強度，磁矩的性質讓μ子可以充當一個微小的磁鐵棒。根據粒子物理的標準模型，μ子磁矩在合適的單位下應當非常接近——但不等於——2。
μ子磁矩與2的細微差異被稱為g-2，布魯克海文實驗測量了g-2的值，但發現比理論預測值略大。
基本粒子的磁矩會被已知基本粒子的“虛擬”版本增強，這些虛擬粒子不斷在真空中出現，又在幾分之一秒之後消失。物理學家對所有已知粒子能夠產生的貢獻進行了詳盡而冗長的計算，他們推斷，
如果g-2的實驗值與預測值差異顯著，就必然有未知的粒子藏在真空中。
最初的μ子g-2實驗讓很多物理學家產生了希望，他們認為很快就會發現新的粒子。
秘密的頻率
為了驗證布魯克海文實驗的結果，研究人員在費米實驗室重建了整個裝置。
實驗中使用了一個直徑15米的超導環磁鐵，讓μ子繞著它轉圈。
團隊於2018年開始收集資料，現在公佈的是實驗執行第一年得到的結果。
為了避免資料分析中的偏差，
團隊在計算時遮蓋了計算g-2常量時使用的一個關鍵引數
——裝置中數字時鐘的具體頻率。
該引數交給了不屬於該團隊的兩位費米實驗室物理學家保管。這樣，團隊就可以正常進行研究，但是隻能把資料畫在座標軸有些許不確定的圖上。
然後，團隊200多人在2月25日參加了一場電話會議。會上，該實驗的兩名負責人開啟信封，取出了其中記錄的秘密時鐘頻率。當他們將這個數字輸入計算機後，就得到了真正的g-2測量值。整個團隊立刻看出來，
測量值和20多年前布魯克海文的測量值是吻合的。
“二者一致真是太棒了，”最早μ子g-2團隊的成員、波士頓大學的Lee Roberts說，“大家開始鼓掌，歡呼跳躍——在Zoom裡盡情表現了出來。”大家的喜悅之情一望即知，即使“很多人都靜音了”，華盛頓大學的物理學家Brynn MacCoy補充說。這次的結果驗證了原始實驗的結果，Robert說。
其他物理學家表示同意。最新宣佈的結果讓之前那次實驗提出的謎團有了一個“清晰而優美的答案”，瑞士蘇黎世大學的理論物理學家Gino Isidori說：“那次實驗是正確的。”
不過，雖然理論值和實驗值的統計差異更顯著了，
但用它來確證新粒子的存在仍不充分
。“懷疑者可能會繼續懷疑下去，”Isidori說，“現在，球踢到了理論物理學家的腳下。”他補充說。
夸克計算
最廣為接受的μ子磁矩的預測值，是理論物理學界去年在一篇“共識”論文中發表的數值［3］。但是，4月7日在《自然》上［4］發表的另一項研究提出，理論值和實驗值之間的差距可能並沒有之前認為的大。
最難的一步是計算夸克的貢獻。
夸克是質子和中子的基本組分，這也是為何物理學家一貫愛用粒子對撞實驗的結果作為他們計算的補充。
在《自然》發表的這篇文章中，
賓夕法尼亞州立大學的Zoltan Fodor等人使用一種被稱為“格點量子色動力學”
（格點QCD）
的模擬技術重新計算了夸克的貢獻。
之前對g-2預測值的計算並沒有使用格點QCD，因為當時該技術還不成熟，無法給出高精度的結果。Fodor和他的團隊成功提高了精度，並發現他們的g-2值比共識數值要大，和實驗測量值更為接近。其他格點QCD團隊正在努力達到同樣的精度，這樣就能用該方法重新計算共識值，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的物理學家Aida El-Khadra說：“其他團隊也在努力減少誤差，但這需要大量計算資源。”
更新物理學
目前，μ子g-2團隊正忙著分析一些最新的資料，同時收集更多資料。團隊希望測量精度最終能提高四倍。
如果理論值和測量值確實有差異，那麼標準模型就必須更新，以囊括新的粒子。
問題在於，從2001年到現在，可能導致μ子磁矩增加的許多候選粒子都被其他實驗一一排除了，大部分實驗都是利用瑞士的大型強子對撞機完成的。
目前仍有許多解釋μ子g-2實驗結果的理論，但是科學家認為這些理論都有些牽強
。“對我來說，沒有哪個解釋特別簡潔或更有說服力”，μ子g-2團隊成員、德國德累斯頓工業大學的理論物理學家Dominik Stöckinger說。
自從標準模型於1970年代提出以來，它通過了所有測試的驗證，基本未加改變地流傳至今。
但是物理學家知道該模型一定有其不完整之處，有些也希望μ子能揭露其第一個破綻。
“如果我們能證實與標準模型的某個出入，那麼人們探索了50年的問題就終於有答案了。”Roberts說。
參考文獻：
1。 Abi， B。et al。 Phys。 Rev。 Lett。
126
， 141801 （2021）。
2。 Bennett， G。 W。et al。 Phys。 Rev。 D
73
， 072003 （2006）。
3。 Aoyama， T。et al。 Phys。 Rep。
887
， 1–166 （2020）。
4。 Borsanyi， Szet al。 Naturehttps：//doi。org/10。1038/s41586-021-03418-1 （2021）。
原文以Is the standard model broken？ Physicists cheer major muon result標題發表在2021年4月7日的《自然》的新聞版塊上
© nature
doi: 10.1038/d41586-021-00898-z
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