缪子继续让物理学家感到困惑。这些不稳定的亚原子粒子非常像我们熟悉的电子，只是质量是电子的 200 倍，寿命却只有短暂的 2.2 微秒。然而，与电子不同的是，缪子是关于粒子物理学主流理论的一个复杂问题的中心。
几十年来，物理学家们一直对一些诱人的迹象感到困惑，这些迹象表明缪子对磁场的敏感度高于理论预测：让缪子在一个强大的磁铁中绕圈运行，它们会“摆动”，衰变方向与预期不同。缪子“磁矩”的这种明显差异对物理学家来说意义重大，因为它可能是由当前理论未考虑的未被发现的粒子推 nudge 产生的。但这差异也可能仅仅是一个统计上的偶然现象、实验不确定性，或者是理论家们深奥计算中各种潜在错误的产物。要在这个棘手的问题上取得进展，关键在于改进计算，并更精确地测量缪子的磁矩。
周四，研究人员宣布了最新的测量里程碑，将缪子的磁矩精确到误差仅为五百万分之一。报告他们结果的论文已提交给期刊《物理评论快报》，该论文基于缪子 g−2 实验两年内的数据，该实验是一个位于伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室的直径 50 英尺的环形磁铁，用于循环缪子。（披露：本文作者与《物理评论快报》的执行编辑罗伯特·加里斯托有关。他们之间没有就本文进行过交流。）新结果证实并使2021 年先前的实验测量的精度提高了一倍，消除了人们对缪子 g−2 实验可靠性的疑虑。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
“这项实验确实完成了它的工作，”德国德累斯顿工业大学的理论物理学家多米尼克·斯托金格说，他也是缪子 g−2 合作组织的成员。他赞扬他的同事们在精度方面的提高，其他科学家也对此表示赞同。
“g−2 测量是一项了不起的成就……这是一项非常困难的工作，精度非常高，”荷兰国家亚原子物理研究所的实验物理学家帕特里克·科彭堡说，他没有参与这项研究。
尽管最近实验取得了成功，但基于理论的问题仍然存在。在亚原子领域，标准模型是目前关于基本粒子及其相互作用的理论。但标准模型并不能让物理学家满意；它无法解释暗物质等现象，也无法解释希格斯玻色子质量出奇地低等谜团。这些局限性促使研究人员在标准模型中寻找尚未描述的新粒子——这些粒子可能会以理论无法预测的方式微妙地影响缪子的行为。
要发现理论预测与缪子 g−2 等实验结果之间的不一致，需要在理论和实验两方面都具有非凡的精度。但是，由于计算缪子磁矩的不同方法之间存在冲突（但同样合理）的结果，理论家目前无法就足够精确的预测达成一致。在没有共识、高精度理论预测的情况下，与缪子 g−2 实验结果进行有意义的比较实际上是不可能的。
“只有当对标准模型的预测达成一致时，你才能称之为异常，”科彭堡说。“而目前看来情况并非如此。”
缪子数学
大约一个世纪前，理论物理学家保罗·狄拉克计算出一个值 g，用于衡量带电粒子应受磁场影响的程度。狄拉克说，g 值应该正好是 2。（这就是“g−2”的由来。）但在接下来的二十年里，实验发现电子的所谓 g 因子并不完全是 2——大约偏离了十分之一。这个微小的差异将改变物理学家对宇宙的理解。
1947 年，另一位杰出的理论物理学家朱利安·施温格解释了正在发生的事情：电子受到了光子的扰动。这个光子是“虚”的——它并非真实存在，但以光子潜在的弹出存在、推动电子并消失的方式影响着电子。这一认识改变了粒子物理学。太空的真空不再被认为是真正空无一物的；相反，它充满了令人眼花缭乱的虚粒子，所有这些粒子都传递着轻微的影响。
“当它们弹出存在时，[虚粒子] 会从缪子身上弹开。它们会导致缪子稍微摆动得更厉害，然后它们又会消失，”英国曼彻斯特大学的理论物理学家兼实验物理学家亚历克斯·凯沙瓦尔齐说，他也是缪子 g−2 实验的成员。“你基本上把它们都加起来。”
说起来容易做起来难。物理学家必须计算缪子与一个光子相互作用的极小可能性，甚至与最多五个光子相互作用的可能性，这些光子在缪子继续前进之前弹出和消失。这些不太可能发生的事件的图表需要繁琐的计算，并且看起来像抽象艺术，其中神秘的循环和弯曲线条代表着大量的虚相互作用。
并非所有虚粒子的计算都可以精确求解。虽然计算虚光子的影响相对简单，但缪子也受到一类称为强子的粒子的影响——强子是由胶子结合在一起的夸克团簇。强子与自身递归地相互作用，从而产生物理学家所说的“强子斑点”，这在模拟中看起来不太像抽象艺术，而更像是一团乱麻。强子斑点难以进行精确、清晰的建模。受阻的研究人员转而尝试利用从其他实验中电子碰撞产生的真实强子斑点收集的数据来改进其虚强子斑点模型。几十年来，这种数据驱动的方法使理论家能够对缪子行为中其他难以处理的贡献进行预测。
最近，理论家们开始使用一种新工具来计算强子斑点：格点量子色动力学 (QCD)。本质上，通过将标准模型的方程输入功能强大的计算机，研究人员可以数值近似强子斑点的混乱情况，从而理清亚原子的戈尔迪之结。2020 年，约 130 位理论家共同努力组成了缪子 g−2 理论倡议，并将这两种技术的部分结合起来，对缪子的磁矩进行了迄今为止最精确的预测——恰逢实验更新。
相互冲突的计算
为了测量缪子的磁矩，缪子 g−2 实验的物理学家首先将缪子束注入到 50 英尺磁铁周围的存储环中。在那里，缪子在几微秒内绕行数千圈，然后衰变。记录衰变发生的时间和地点，研究人员就可以得到一个实验答案，即缪子由于与光子和强子斑点等虚粒子的相互作用而摆动了多少。
2021 年，合作组织将缪子的磁矩测量精度提高到百万分之二。当时，理论与实验之间的差异在粒子物理学的术语中是 4.2 西格玛。这意味着在每 30,000 次实验运行中，如此大的效应应该会因随机机会而出现（假设它不是由标准模型之外的“新物理学”引起的）。这大致相当于连续抛掷一枚公平硬币得到 15 次正面。（这并不意味着结果有 30,000 比 1 的概率是真的；这仅仅是物理学家用来跟踪他们的测量结果在多大程度上受不确定性支配的一种方式。）
从那时起，不断变化的理论预测格局因相互冲突的结果和更新而变得动荡不安。首先是来自布达佩斯-马赛-伍珀塔尔 (BMW) 合作组织的 格点 QCD 结果。BMW 团队利用大量的计算资源，对缪子的磁矩进行了最精确的计算——并发现它与所有其他理论预测不一致。相反，它与缪子 g−2 测量的实验值一致。如果 BMW 是正确的，那么理论与实验之间就没有真正的分歧，并且异常现象基本上会消失。
缪子 g−2 理论倡议主席、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家艾达·X·埃尔-卡德拉表示，其他六个左右的格点 QCD 小组都没有完全证实 BMW 的预测，但初步迹象表明他们将会这样做。“格点 QCD 社区现在在一个小部分的计算上达成了一致，我相信我们会在整个计算中达成一致，”她说。*
但是，如果说 BMW 解决了一个差异——理论与实验之间的差异——那么它可能又制造了另一个差异。现在，格点 QCD 预测和从经验实验中得出的数据驱动预测之间存在相当大的差异。
“很多人会看到这一点并说，‘好吧，这削弱了新物理学的可能性。’我一点也不这么认为，”凯沙瓦尔齐说。他认为，理论结果内部的差异——格点方法和数据驱动方法之间的差异——可能与新物理学有关，例如尚未检测到的低质量粒子。其他研究人员对如此令人兴奋的前景不太热衷。德国雷根斯堡大学的理论物理学家兼缪子 g−2 理论倡议联合主席克里斯托夫·莱纳说，理论上的差异更有可能是由数据驱动方法中的问题引起的。
2 月份，另一个意外情况冲击了该领域，这次来自数据驱动方面：对俄罗斯新西伯利亚实验 CMD-3 的新数据分析与 BMW 结果和实验值一致。 “没有人预料到这一点，”凯沙瓦尔齐说。如果 CMD-3 被认为是正确的，那么理论内部或理论与实验之间就不会存在差异。但 CMD-3 与之前的任何结果都不一致，包括其前身 CMD-2 的结果。“对于 CMD-3 为何如此不同，目前还没有很好的理解，”埃尔-卡德拉说。她预计在一两年内会有更多的数据驱动和格点结果，她和她的同行希望这些结果能够理清一些这种日益难以控制的混乱局面。
一个世纪前开始时，一个漂亮的偶数——g=2——现在已经演变成一项需要巨大精度和分形复杂性的任务。理论和实验之间甚至没有明显的异常。相反，格点和数据驱动的理论方法之间存在分歧。而随着 BMW 和 CMD-3 的结果，每种方法内部都存在进一步的冲突。
无论好坏，这就是 21 世纪粒子物理学前沿的景象：一场混乱的来回拉锯战，物理学家们拼命寻找突破，竞相看谁能最细致地测量缪子。
*编者注（2023 年 8 月 10 日）：本段在发布后进行了编辑，以更好地阐明艾达·X·埃尔-卡德拉关于布达佩斯-马赛-伍珀塔尔 (BMW) 合作组织的格点量子色动力学 (QCD) 结果的评论。