当数百名物理学家在二月底聚集在Zoom电话会议上讨论他们的实验结果时，他们谁也不知道自己发现了什么。就像临床试验中的医生一样，μ子g-2实验的研究人员对他们的数据进行了盲化处理，隐藏了一个单一变量，这使得他们在多年来不会对他们正在处理的信息产生偏见或了解其真实含义。
但是，当数据通过Zoom公布时，物理学家们知道等待是值得的：他们的结果进一步证明了新的物理学隐藏在μ子中，μ子是电子的更笨重的表亲。“那是我们知道结果的时候。在那之前我们一无所知，”伦敦大学学院的物理学家丽贝卡·奇斯莱特说，她是μ子g-2合作组织的一员。“这既令人兴奋又令人紧张，也让人松了一口气。”
尽管标准模型在解释构成宇宙的基本粒子和力方面取得了显著成功，但其描述仍然严重不完整。例如，它没有解释引力，同样，它对暗物质、暗能量和中微子质量的本质也保持沉默。为了解释这些现象以及更多，研究人员一直在寻找新的物理学——超越标准模型的物理学——通过寻找实验结果与理论预测不同的异常现象。
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μ子g-2是位于伊利诺伊州巴塔维亚费米国家加速器实验室的一项实验，旨在精确测量磁性μ子的磁性，方法是观察它们在磁场中的摆动。如果这些粒子的磁矩的实验值与理论预测不同——即出现异常——这种偏差可能就是新物理学的迹象，例如某些微妙且未知的μ子影响粒子或力。最新更新的μ子实验值，于周三在物理评论快报上报道，与理论的偏差仅为一个极小的值 (0.00000000251)，并且具有4.2 sigma的统计显著性。* 但即使是如此微小的量也可能深刻地改变粒子物理学的方向。
“我的第一印象是‘哇’，”费米实验室的理论物理学家戈尔丹·克尔尼亚伊奇说，他没有参与这项研究。“对于像我们这样的投机者来说，这几乎是最好的情况……我更倾向于认为这可能是新的物理学，并且它对未来的实验以及与暗物质的可能联系具有影响。”
并非所有人都如此乐观。许多异常现象出现后又消失，留下标准模型取得胜利，物理学家们对突破性发现的前景感到厌倦。
“我的感觉是，太阳底下无新鲜事，”意大利帕多瓦大学的实验物理学家托马索·多里戈说，他也没有参与这项新研究。“我认为这仍然更可能是一个理论上的误算……但这肯定是我们目前必须研究的最重要的事情。”
μ子几乎与电子相同。这两种粒子具有相同的电荷和其他量子性质，例如自旋。但是μ子比电子重约200倍，这导致它们的寿命很短，并衰变成更轻的粒子。因此，μ子不能像电子那样在形成结构中发挥关键作用：分子和山脉等——实际上，原子之间几乎所有的化学键——都因为电子的稳定性而得以持久。
当德国物理学家保罗·昆泽在1933年首次观察到μ子时，他不确定该如何看待它。“他展示了一条既不是电子也不是质子的轨迹，他称之为——我的翻译——‘一种性质不确定的粒子’，”波士顿大学的物理学家、μ子g-2的实验物理学家李·罗伯茨说。新发现的粒子是对原本有限的亚原子粒子阵容的一个令人好奇的复杂化，这导致物理学家伊西多·伊萨克·拉比著名地惊叹，“想想μ子。谁订购了它？” 随后几十年里发现的大量奇异粒子表明，μ子实际上是一个更大集合的一部分，但历史对拉比的困惑仍然是友好的：事实证明，μ子可能确实有些奇怪之处。
2001年，纽约州厄普顿布鲁克海文国家实验室的E821实验发现，μ子的磁矩与理论存在偏差的迹象。当时，这一发现还不够可靠，因为它只有3.3 sigma的统计显著性：也就是说，如果没有新的物理学，那么科学家仍然会期望在1000次实验运行中看到一次如此大的差异，这仅仅是出于纯粹的偶然性。该结果低于五sigma——三十五百万分之一的偶然事件——但足以激起研究人员对未来实验的兴趣。
由于具有4.2 sigma的统计显著性，研究人员还不能说他们已经做出了发现。但是，μ子中新物理学的证据——结合最近在日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）中观察到的异常现象——是诱人的。
移动μ子
大多数物理实验都会重复使用部件。例如，大型强子对撞机是建立在为其前身——大型电子正电子对撞机——设计的隧道中的，并且之前也由其占用。但是，μ子g-2背后的实验人员比大多数人走得更远，他们没有建造新的磁铁，而是将50英尺的环从布鲁克海文运到3200英里外的新家——费米实验室。
磁铁在μ子g-2中占据中心位置。正π介子的束流——由一个上夸克和一个下反夸克组成的轻粒子——衰变成μ子和μ中微子。μ子被收集并引导到磁铁周围的有序圆形路径中，它们最多会在衰变成正电子之前绕行数千次。通过检测μ子衰变的方向，物理学家可以提取有关粒子如何与磁铁相互作用的信息。
这个过程是如何运作的？将每个μ子想象成一个微型模拟时钟。当粒子绕磁铁旋转时，它的时针以理论预测的速率旋转。当μ子的时间到了时，它会衰变成一个正电子，该正电子会沿时针方向发射出来。但是，如果时针的转速与理论不同——例如，滴答声太快——正电子衰变最终将指向略有不同的方向。（在这个类比中，时针对应于μ子的自旋，这是一种量子性质，它决定了μ子衰变的方向。）检测到足够多的偏离正电子，你就会发现异常。
异常意味着什么是不明确的。可能存在标准模型未考虑到的因素，并且可能是电子和μ子之间的差异。或者，电子中可能存在类似的效果，但目前太小而无法看到。（粒子的质量与其与较重未知粒子的相互作用程度有关，因此μ子的质量约为电子的200倍，因此对未知粒子更敏感。）
μ子g-2于2017年开始收集其首次运行的数据，但结果直到现在才出来，因为处理这些信息是一项艰巨的任务。“尽管人们可能希望早点看到结果，但这恰恰反映了我们为了理解事物而长期进行尽职调查，”费米实验室物理学家布伦丹·基堡说，他是该合作组织的一员。
μ子g-2的实验值本身并没有太多意义。为了有意义，它必须与最新的理论预测进行比较，而理论预测本身是约130名物理学家共同努力的成果。
所有这些脑力的必要性归结为一点：当μ子在空间中传播时，该空间并不是真正空旷的。相反，它是一个沸腾和涌动的无限数量的虚粒子的汤，这些粒子可以突然出现和消失。μ子有很小的机会与这些粒子相互作用，这些粒子会拉扯它，影响它的行为。计算虚粒子对μ子自旋的影响——其时针转动的速率——需要一系列同样艰巨且极其精确的理论确定。
所有这些都意味着μ子的理论预测本身也存在不确定性，理论家们一直在努力减少这种不确定性。一种方法是通过格点量子色动力学（QCD），这是一种依赖于大量计算能力来数值求解虚粒子对μ子的影响的技术。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家艾达·X·埃尔-卡德拉说，她没有参与实验结果，大约有六个小组都在热衷于解决这个问题。
进入物理层面
乐趣才刚刚开始。在未来的几天和几周内，大量的理论论文将试图更好地理解新的结果。引入新粒子（例如Z'玻色子和轻子夸克）的模型将根据新信息进行更新。虽然一些物理学家推测μ子异常究竟可能意味着什么，但将不确定性降低并将异常推高至五sigma以上的努力仍在进行中。
根据基堡和奇斯莱特的说法，μ子g-2的第二次和第三次运行的数据预计将在大约18个月后发布，这些信息可能会将异常推过五sigma阈值——或降低其显著性。如果它不是决定性的，日本东海的J-PARC（日本质子加速器研究中心）的研究人员可能会有一个答案。他们计划使用略有不同的方法独立证实μ子g-2的结果，以观察μ子的行为。与此同时，理论家们将继续改进他们的预测，以减少他们自身测量的不确定性。
然而，即使所有这些努力都证实μ子中存在新的物理学，它们也无法揭示新的物理学究竟是什么。揭示其本质所需的工具可能是一个新的对撞机——许多物理学家正在通过国际直线对撞机和高亮度LHC等提案呼吁的东西。在过去的几个月中，人们对μ子对撞机的兴趣激增，多篇论文预测，μ子对撞机将保证物理学家能够确定影响μ子的未知粒子或力的性质。
即使是那些对新结果的意义持怀疑态度的人也不禁发现了一线希望。“这对粒子物理学来说是好事，”多里戈说，“因为粒子物理学已经沉寂了一段时间。”
*编者注：本文作者与《物理评论快报》的处理编辑罗伯特·加里斯托有关，但他们在论文发表前没有就该论文进行过沟通。