多年來(lái)，參與μ子g-2實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家一直報(bào)告稱，μ子的反常磁矩（g-2）比標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)要更強(qiáng)。

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型描述了基本粒子的屬性和它們之間的相互作用。

μ子的反常磁矩與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)之間的差異，曾讓物理學(xué)界憧憬。因?yàn)檫@意味著自然界中或許存在著未被發(fā)現(xiàn)的新粒子或相互作用。

然而，2025年6月3日，μ子g-2實(shí)驗(yàn)合作組發(fā)布的最終結(jié)果粉碎了這一希望。新結(jié)果表明μ子的反常磁矩與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的一致。

相關(guān)論文已經(jīng)提交至《物理評(píng)論快報(bào)》。

g與2之差

μ子是一種壽命極短的基本粒子，與電子類似，但質(zhì)量約為電子的200倍。和電子一樣，它也具有一種稱為“自旋”的量子屬性，這種屬性可以被視為它內(nèi)部攜帶著一個(gè)微小的磁體。當(dāng)處于外部磁場(chǎng)中時(shí)，這個(gè)“內(nèi)部磁體”會(huì)像陀螺一樣發(fā)生進(jìn)動(dòng)（擺動(dòng)）。

μ子的這種擺動(dòng)行為可以用一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)——g因子（旋磁比）來(lái)描述。按照狄拉克方程的預(yù)測(cè)，g值應(yīng)等于2。

但事實(shí)上，物理學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)，真空并非“空無(wú)一物”。在量子力學(xué)的框架下，真空中充滿了在極短的瞬間內(nèi)不斷產(chǎn)生又消失的虛粒子。這些虛粒子會(huì)影響μ子與磁場(chǎng)的相互作用，使g的值略大于2。

因此，g-2實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生：如果標(biāo)準(zhǔn)模型存在任何遺漏部分，都會(huì)體現(xiàn)在這個(gè)“g與2之差”的微小偏離中。

歷時(shí)20多年的追蹤

20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（BNL）開(kāi)展了μ子g-2實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示μ子的磁性比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)值高出4.3ppb（十億分之一）。這樣的結(jié)果雖引人關(guān)注，但尚不具定論性。

為了獲得更高精度的結(jié)果，物理學(xué)家決定對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行升級(jí)。2013年，他們將布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的磁存儲(chǔ)環(huán)從紐約長(zhǎng)島跨州運(yùn)送至5000公里外的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）。經(jīng)過(guò)多年技術(shù)改造，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的新一輪g-2實(shí)驗(yàn)于2017年5月31日正式啟動(dòng)。

與此同時(shí)，理論界也在進(jìn)步。一個(gè)由理論物理學(xué)家組成的國(guó)際合作組成立了“μ子g-2理論倡議”，旨在改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)μ子磁矩的計(jì)算精度。2020年，他們發(fā)布了一個(gè)新的預(yù)測(cè)值，采用依賴于其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法”。

圖示顯示了μ子g-2實(shí)驗(yàn)在2018年至2023年期間六次運(yùn)行中累計(jì)分析的正電子數(shù)量，反映了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)模的持續(xù)增長(zhǎng)。（圖/μ子g-2實(shí)驗(yàn)合作組）

2021年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室公布了第一輪實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在精度略有提升的情況下，確認(rèn)了布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室早期的觀測(cè)結(jié)果。但與此同時(shí)，另一種高度依賴計(jì)算能力的理論計(jì)算方法也出現(xiàn)了，即格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)。這一新方法得出的預(yù)測(cè)值更接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，從而縮小了這一偏差。

2023年，實(shí)驗(yàn)合作組基于2019–2020年數(shù)據(jù)發(fā)布了第二輪結(jié)果，其精度達(dá)到第一輪的兩倍。

μ子g-2實(shí)驗(yàn)的終章

現(xiàn)在，μ子g-2實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家發(fā)布了μ子反常磁矩的最后一輪（第三輪）實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其實(shí)驗(yàn)值為：

(g-2)/2 = 0.001 165 920 705 +/- 0.000 000 000 114（統(tǒng)計(jì)誤差）+/- 0.000 000 000 091（系統(tǒng)誤差）

μ子g-2合作組基于過(guò)去三年的數(shù)據(jù)得出的最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步鞏固了這一實(shí)驗(yàn)的世界平均值。（圖/μ子g-2實(shí)驗(yàn)合作組）

這一測(cè)量結(jié)果的精度甚至超過(guò)了原定的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

而就一周前，理論倡議團(tuán)隊(duì)也發(fā)布了一個(gè)整合多個(gè)研究結(jié)果的新理論預(yù)測(cè)值，這一最新的預(yù)測(cè)值與最新一輪的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。這意味著，曾經(jīng)被寄予厚望的超越標(biāo)準(zhǔn)模型的“新物理”跡象，可能只是理論模型尚不完備所致。

科學(xué)的勝利

對(duì)于那些希望借此發(fā)現(xiàn)新物理的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)歷經(jīng)二十幾年的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有帶來(lái)“驚天動(dòng)地”的突破，但其結(jié)局并非失敗。

幾十年來(lái)，μ子的磁矩一直是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的嚴(yán)格基準(zhǔn)。如今，μ子g-2實(shí)驗(yàn)通過(guò)超高精度的測(cè)量，驗(yàn)證并約束了理論模型，為今后更復(fù)雜的理論計(jì)算樹(shù)立了清晰的基準(zhǔn)線。

此外，這項(xiàng)成果本身就是一項(xiàng)精度極高、挑戰(zhàn)極大的實(shí)驗(yàn)成就。物理學(xué)家指出，這將是未來(lái)多年內(nèi)世界上最精確的μ子反常磁矩的測(cè)量結(jié)果，不僅成為標(biāo)準(zhǔn)模型的又一支柱，也將為未來(lái)探索未知世界提供堅(jiān)實(shí)支點(diǎn)。

#參考來(lái)源：

https://news.fnal.gov/2025/06/muon-g-2-most-precise-measurement-of-muon-magnetic-anomaly/

https://www.science.org/content/article/long-running-physics-experiment-dashes-hope-new-particles-and-forces

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Ryan Postel, Fermilab