所谓的μ子异常，最早在2001年布鲁克海文国家实验室的一项实验中观察到，一直没有改变。20年来，μ子磁矩的计算值与其实验确定值之间的细微差异一直徘徊在约3.7σ的显著性水平。置信水平为99.98%，或大约有四千五百分之一的几率，这种差异是随机波动。随着费米国家加速器实验室在伊利诺伊州巴塔维亚进行的μ子g-2实验刚刚公布的结果，显著性已提高至4.2σ。置信水平约为99.997%，或大约有四万分之一的几率，观察到的偏差是巧合。就其本身而言，费米实验室的最新测量结果只有3.3σ的显著性，但由于它重现了布鲁克海文早期的发现，综合显著性已升至4.2σ。尽管如此，后者仍未达到粒子物理学家五西格玛的发现阈值。
该结果备受期待，因为它有可能最终打破粒子物理学的标准模型，这是一个包含了迄今为止已知的物质基本成分的集合，已经存在了大约50年。该模型目前包含了几十种粒子，但其中大多数是不稳定的，因此无法通过观察我们周围的正常物质来发现。然而，不稳定的粒子会在高能事件中自然产生，例如当宇宙射线撞击高层大气时。它们也在实验室创造的粒子碰撞中产生，例如费米实验室用于测量μ子磁矩的实验。
μ子是最早已知的不稳定粒子之一，其发现可以追溯到1936年。它是电子的较重版本，并且像后者一样，它带电。μ子的寿命约为两微秒。对于粒子物理学家来说，这是一段很长的时间，这也是该粒子适合进行精密测量的原因。μ子的磁矩决定了粒子的自旋轴围绕磁力线轨道运行的速度。为了在费米实验室测量它，物理学家创造了μ子，并用强大的磁铁让它们在一个直径约15米的圆圈中运动。μ子最终会衰变，并且可以从衰变产物的分布中推断出它们的磁矩。
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结果通常以“g-2”的形式引用，其中“g”是磁矩。“2”的包含是因为该值接近于2——而物理学家感兴趣的是与2的偏差中的量子贡献。这些贡献来自真空涨落，其中包含所有粒子，尽管是以虚粒子的形式：它们只是短暂出现，然后又消失了。这意味着，如果存在比标准模型中更多的粒子，它们应该对μ子g-2做出贡献——因此它的相关性。因此，与标准模型预测的偏差可能意味著存在比当前已知的粒子更多的粒子——或者存在一些其他新的物理学，例如额外的空间维度。
那么我们该如何衡量标准模型的预测与新测量结果之间4.2σ的差异呢？首先，记住粒子物理学家最初使用五西格玛标准的原因是有帮助的。原因与其说是粒子物理学在某种程度上比科学的其他领域更精确，或者粒子物理学家更擅长做实验，不如说是粒子物理学家拥有大量数据。而且你拥有的数据越多，你就越有可能发现偶然看起来像信号的随机波动。粒子物理学家在1990年代中期开始普遍使用五西格玛标准，以避免因过多的“发现”后来被证明仅仅是统计波动而感到尴尬。
但当然，五西格玛完全是一个任意的界限，粒子物理学家也讨论远低于该界限的异常现象。事实上，多年来，相当多的三西格玛和四西格玛异常现象来来去去。例如，希格斯玻色子早在1996年就被“发现”了，当时在日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的大型正负电子对撞机（LEP）上出现了一个约四西格玛的信号——然后又消失了。（希格斯玻色子于2012年被LEP的继任者大型强子对撞机或LHC确凿地探测到。）同样在1996年，在约三西格玛处发现了夸克亚结构。它们也消失了。
2003年，在LEP上看到了超对称的迹象——这是标准模型的一个推测性扩展，引入了新的粒子——也在约三西格玛处。但很快它们就消失了。在2015年的LHC上，我们看到了双光子异常，它在四西格玛附近徘徊，然后消失了。也有一些惊人的六西格玛发现未得到证实，例如1998年费米实验室Tevatron上的“超喷流”（即使现在也没有人真正知道它们是什么）或2004年德国质子-电子环加速器（HERA）加速器上的五夸克观测（五夸克实际上直到2015年才被探测到）。
这段历史应该有助于您衡量如何认真对待任何统计显著性为4.2σ的粒子物理学主张。但当然，g-2异常现象的有利之处在于，它的显著性变得更强而不是更弱。
异常现象的持续存在意味著什么？低能量下的高精度实验，例如这次实验，是对高能量实验的补充。它们可以提供类似的信息，因为原则上，来自高能量的所有贡献也都存在于低能量下。只是它们非常小——我们谈论的是实验和理论之间在小数点后第11位的差异。
实际上，这意味着预测的计算必须精确地解释许多微小的贡献才能达到要求的精度。在粒子物理学中，这些计算是使用费曼图完成的——带有节点和链接的小图，表示粒子及其相互作用。它们是跟踪必须计算哪些积分的数学工具。
随着精度的提高，这些计算变得更加复杂，因为有更多更大的图。对于μ子g-2，物理学家必须计算超过15,000个图。尽管计算机在很大程度上有所帮助，但这些计算仍然非常具有挑战性。一个特别令人头疼的问题是强子贡献。强子是由几个夸克组成的复合粒子，由胶子结合在一起。计算这些强子对g-2值的贡献非常困难，并且目前是理论方面最大的误差来源。当然，还有各种交叉测量发挥作用，例如依赖于其他常数值的预测，包括轻子的质量和耦合常数。
因此，这种差异可能更平凡地意味著标准模型的计算存在问题，强子贡献是主要的怀疑对象。但也可能问题在于标准模型本身，而不是我们的计算。也许这种差异来自新的粒子——超对称粒子是最受欢迎的候选者。这种解释的问题在于，超对称不是一个模型——相反，它是大量模型的属性，来自该更大整体的不同模型各自产生不同的预测。除其他外，g-2贡献取决于假设的超对称粒子的质量，这是未知的。因此，目前不可能将这种差异归因于特定的超对称。
费米实验室对磁矩的新高精度测量是一项卓越的实验成就。但现在宣布标准模型被打破还为时过早。
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