一个转瞬即逝的亚原子粒子可能暴露出一个主要物理理论的缺陷

粒子物理学中最大的问题之一是场本身是否描绘了一幅不完整的宇宙图景。在位于芝加哥郊区的美国能源部费米实验室，粒子物理学家们正在努力解决这一身份危机。在那里，μ 介子g -2（读作“ g minus 2”）合作小组的成员一直在仔细测量一种被称为 μ 介子的特殊粒子。上周，他们发布了最新结果：μ 介子——电子的更重、更短暂的对应物——可能受到某种未知物质的影响。

如果准确的话，这表明构成现代粒子物理学基础的理论并没有说明全部情况。或者真的是这样吗？当合作组的科学家一直在研究μ子时，理论研究人员一直在重新评估它们的数量，这让人怀疑是否存在这样的错误。

英国兰卡斯特大学粒子物理学家、Muon g -2 合作项目成员 Ian Bailey 表示：“无论如何，有些东西尚未理解，需要加以解决。”

现代粒子物理学久经考验的基本定律——科学家称之为标准模型——将介子视为宇宙的基本组成部分之一。介子和电子一样，是带负电荷的亚原子粒子；与电子不同，介子在几百万分之一秒后就会衰变。尽管如此，科学家还是很容易在野外遇到介子。地球高层大气中充满了介子雨，这是由高能宇宙射线撞击地球而产生的。

但是，如果介子看起来并不总是像物理学家所期望的那样，那就表明标准模型不完整，一些迄今未知的物理现象正在发挥作用。“事实证明，据预测，介子对新物理的存在比……电子更敏感，”贝利说。

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与电子一样，μ 子也像陀螺一样旋转，从而产生磁场。名义上的g定义了它的旋转速度。孤立状态下，μ 子的g值为 2。实际上，μ 子并不孤立存在。即使在真空中，μ 子也会受到大量短命“虚拟粒子”的追击，这些粒子会突然出现和消失，从而影响 μ 子的自旋。

标准模型也应该能解释这些粒子。但在 21 世纪，布鲁克海文国家实验室的科学家测量了g ，发现它比标准模型的预测值略大但明显要大。也许布鲁克海文的科学家搞错了——或者，也许 μ 子受制于标准模型没有考虑到的粒子或力。

打破标准模型将成为粒子物理学史上最重大的时刻之一，粒子物理学家不会轻视这种颠覆。布鲁克海文的科学家将他们的实验转移到伊利诺伊州的费米实验室，在那里他们可以利用更强大的粒子加速器来批量生产μ子。2018 年，Muon g -2 实验开始。

三年后，这项实验合作发布了第一批结果，表明布鲁克海文并没有犯错，也没有看到幻觉。上周发布的结果增加了 2018 年和 2019 年两次额外运行的数据，证实了 2021 年发表的结果并提高了其准确性。他们观察到的g值——大约 2.0023——与理论预测的小数点后八位有偏差。

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康奈尔大学粒子物理学家、Muon g -2 合作项目成员 Lawrence Gibbons 表示：“我们已经准确确定了磁异常的真实值。”

如果这一结果在几年前就出来了，物理学家们可能会将其视为超越标准模型的物理学的确凿证据。但今天，事情并不那么简单。量子世界里很少有事情是简单的，但这些量子工作的障碍在于标准模型的预测本身就很模糊。

“从理论方面来说，已经发生了变化，”贝利说。

物理学家认为，拉动介子g的“虚拟粒子”会用不同的力。有些粒子会用电磁力拉动，其影响很容易计算。其他粒子则通过强核力（我们主要注意到其影响，因为它将粒子聚集在原子核内）来拉动介子。计算强核力的影响极其复杂，理论粒子物理学家经常在计算中替换过去实验的数据。

然而，最近，一些理论家采用了一种称为“格子量子色动力学”或格子 QCD 的技术，该技术使他们能够在计算机上计算强核力数字。当科学家将格子 QCD 数字输入到他们的g预测中时，他们得出的结果更符合 Muon g –2 的结果。

更令人困惑的是，位于西伯利亚的另一项粒子实验（称为 CMD-3）得出的结果也使 μ 子g –2 差异消失。“这真是令人费解，”吉本斯说。

Muon g -2 合作项目尚未完成。处理 2021 年至 2023 年收集的三倍数据仍是合作项目的待办事项。一旦他们分析了所有数据（可能在 2025 年准备就绪），物理学家们相信他们可以将g -2 估计的精度提高一倍。但目前尚不清楚这种改进是否会解决问题，因为理论物理学家们竞相更新他们的预测。μ 子是否真的行为不端仍是一个悬而未决的问题。