精确测量显示缪子行为异常 意味着存在新的未知粒子吗？

美国费米实验室进行的缪子反常磁矩实验，显示出缪子（μ子）的行为与标准模型理论预测不相符！上海交通大学的缪子物理团队参与了费米实验室缪子反常磁矩实验（Muon g-2），首批测量结果于2021年4月9日公布。该实验以前所未有的测量精度，为新物理的存在提供了强有力证据。

缪子的质量大约是电子的200倍，在宇宙射线穿透地球大气层时自然产生。此外，费米实验室里的质子加速器也可以大量制造缪子。

据上海交通大学李亮教授介绍：缪子与电子都有内禀磁矩，在外界强磁场的作用下，缪子的磁矩指向会发生进动（摆动）。缪子内禀磁矩的大小决定了其进动频率的大小，这两者之间的比值被称为g-因子。科学家可以精确计算出这一比值。当缪子在磁场中旋转时，也会与时空最深处起伏不定的量子泡沫（即所谓的“虚粒子”）相互作用，这些转瞬即逝的量子泡沫会影响g-因子，使缪子进动的频率加快或变慢。粒子物理标准模型可以精准预测这一反常的磁矩影响。但是，如果量子泡沫中包含新的作用力或粒子，那么g值将会进一步改变。

2001年，布鲁克海文实验室测得的g-因子数值比理论值偏大，显示缪子的行为可能与标准模型不符，这在物理学界引发轰动。20年后，缪子反常磁矩实验以更高的测量精度再次证实了这一偏差。

上海交大缪子物理团队的许金祥副教授说，在最新实验中，研究人员将费米实验室的粒子加速器产生的缪子束流送入一个直径为15米的超导磁铁存储环内，强大的磁铁使缪子保持在圆形轨道上，利用放在环内侧的探测器，可以精确测量缪子的进动频率，从而获得了迄今最精确的g-因子值，且与布鲁克海文实验得出的测量值相吻合。

“把这两个实验结果结合起来，显示缪子行为与标准模型之间不匹配的置信度为4.2倍标准方差，仅比5倍标准方差（判别新发现的最终标准）略小。这是一个非常有力的证据，出现统计误差的概率仅有四万分之一。”许金祥说，“这两个实验结果携手，为新物理的存在提供了强有力的证据，预示着世界上可能存在新的未知粒子或作用力。”

费米实验室日前公布的这个结果是2018年开始的第一轮实验获得的数据，他们仍在分析第二轮、第三轮实验获得的数据。第四轮实验目前正在进行，而第五轮实验尚处于计划中。

科学家们期待着通过五轮运行将得到g-因子更精确的测量结果，从而更确定地揭示是否存在新粒子或新物理学。

（来源：科学网）

解释：“μ子反常磁矩疑难”

      作者：王清扬

1.       μ子：粒子物理标准模型中61种基本粒子之一，属于第二代轻子（电子是第一代轻子）。μ子自旋1/2，带负电，质量为105.7MeV（大约是电子质量的200倍），可以通过弱相互作用衰变到电子

   
   、μ中微子
   
   和反电子中微子
   
   ，平均寿命约为
   
   秒。

2.       磁矩：简单说，磁矩就是由于一个带电的东西旋转而产生的一个可观测的物理量。对于带电的微观粒子来说，自旋也是一种特殊的转动，因此微观粒子也会具有磁矩，其磁矩大小由

   
    描述。其中e是电荷，m是粒子质量，s是粒子自旋，g是一个待定系数——通常被称为g因子。显然，给定一种粒子，它的电荷、质量、自旋我们都知道，因此只需要再计算或实验测量出g因子的数值就可以得到粒子磁矩的大小。这个g因子就是现在在理论上和实验测量进行比较的东西。那么，这个g因子的理论数值是多少呢？按照相对论性量子力学的计算，像电子、μ子这样的带电费米子的g=2，而且严格等于2，没有偏差。但是，实验测量给出的g值却是略大于2的，和相对论性量子力学的计算不符！因此，人们把实际测量的g与2的差值（的一半）称为反常磁矩 
   
   ，用来表示实际磁矩与相对论性量子力学的计算结果的偏差。

3.       反常磁矩：为什么粒子的实际磁矩与相对论性量子力学的计算结果存在偏差？这是因为相对论性量子力学不是一个真正地结合了狭义相对论与量子力学的理论，主流公认的真正将二者结合的理论是量子场论。按照量子场论的计算，g=2只是最低阶过程的计算结果，而一些所谓的高阶的“圈图”会使g的计算值偏离2。也就是说，量子场论可以计算出反常磁矩的大小。那么，量子场论的计算值和实验测量值又是否相匹配呢？对电子来说，量子场论对它的反常磁矩的计算值与实验结果完美符合，小数点后十位都能对得上（1965年诺贝尔物理学奖）。然而对μ子却出了一些问题。

4.       所谓“μ子反常磁矩疑难”，就是指理论和实验对不上号。在1970年代，基于量子（规范）场论的粒子物理标准模型建立之后，人们就可以去计算所有三种微观相互作用（电、弱、强）对反常磁矩的贡献。经过了几十年的努力，人们终于可以算清楚标准模型三种相互作用的所有过程对μ子反常磁矩的贡献，但是人们却发现，即使考虑了所有已知的物理过程，μ子反常磁矩的计算结果仍然和实验结果差那么一点。

      费米实验室进行的缪子反常磁矩实验，与2001年布鲁克海文实验室的测量相比较，他们以更高的精度测量了μ子的反常磁矩的数值，从而更加精确地展示了实验与理论计算的巨大差距。这个差距可用下图示意：绿色的数值是标准模型的计算结果，紫色的数值是实验结果，二者的差距达到了4.2σ。4.2σ是个什么概念？不严谨地说，就是因巧合导致判断有误的概率只有几万分之一。虽然还没有达到粒子物理5σ的“发现”标准，但这个理论与实验的偏差也是很显著的了。

     

      为什么标准模型的预言和实验结果有这么大差距？无非两种可能：

1.       标准模型没有问题，是标准模型中强相互作用部分的计算出了问题。也就是说，有可能是之前计算的强相互作用对μ子反常磁矩的贡献没有算对。强相互作用对μ子反常磁矩的贡献本来是一个很复杂的问题。4月7日发表在Nature上的一篇论文声称用格点QCD的方法重新计算了强相互作用的贡献，新的计算结果缩小了理论与实验的差距。但格点毕竟是一种数值方法，这个新的计算结果对不对还要再看看。

2.       之前的计算没有问题，是标准模型本身出了问题。也就是目前某些人认为的可能存在着未知粒子和未知相互作用对μ子的反常磁矩有贡献，不然，实验与理论的差距怎么会这么大？人们期待着新物理，有关的新理论模型在arXiv上纷纷涌现。至于是否真的存在新物理，现在还不好说，让我们拭目以待吧。