粒子物理学中最大的问题之一是，该领域本身是否揭示了宇宙的不完整图景。在美国能源部位于芝加哥郊区的一处设施费米实验室，粒子物理学家们正试图解决这一身份危机。在那里，μ子g-2（发音为“g minus 2”）合作组织的成员一直在精确测量一种奇特的粒子——μ子。上周，他们公布了他们更新后的结果：μ子——一种比电子更重、更短暂的对应粒子——可能受到未知事物的干扰。
如果准确，这将表明构成现代粒子物理学基础的理论并未讲述全部故事。或者不是？虽然合作组织的科学家们一直在研究μ子，但理论研究人员一直在重新评估他们的数字，这使得人们怀疑是否存在这样的误差。
“无论哪种情况，都有我们不理解的地方，需要加以解决，”英国兰卡斯特大学的粒子物理学家、μ子g-2合作组织的成员伊恩·贝利（Ian Bailey）说。
现代粒子物理学中经过检验的基本定律——科学家称之为标准模型——将μ子视为我们宇宙的基本组成部分。μ子和电子一样，是带负电的亚原子粒子；但与电子不同的是，μ子会在数百万分之一秒后衰变。尽管如此，科学家们在自然界中仍然很容易遇到μ子。地球的高层大气中充满了μ子雨，这是由撞击地球的高能宇宙射线产生的。
但如果μ子的表现不如物理学家预期的那样，那么这表明标准模型是不完整的，并且存在一些迄今未知的物理学在起作用。“事实证明，μ子被预测比……电子对新物理学存在的敏感性更高，”贝利说。
和电子一样，μ子也会像陀螺一样旋转，从而产生磁场。标题中的g定义了它的旋转速度。单独来看，μ子的g值为2。实际上，μ子并非孤立存在。即使在真空中，μ子也会被大量短暂的“虚粒子”所困扰，这些虚粒子会从量子存在中弹出又消失，从而影响μ子的自旋。
标准模型也应该解释这些粒子。但在 2000 年代，布鲁克海文国家实验室的科学家测量了g，并发现它比标准模型的预测值略大但显著。也许布鲁克海文的科学家们弄错了——或者，也许，μ子受到了标准模型未考虑到的粒子或力的影响。
打破标准模型将是粒子物理学史上最重要的时刻之一，粒子物理学家们对此类颠覆性事件绝不轻视。布鲁克海文的科学家们 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大规模生产μ子。2018 年，μ子g-2 实验开始运行。
三年后，该实验合作组织公布了他们的初步结果，表明布鲁克海文并没有犯错或出现幻觉。上周公布的结果增加了 2018 年和 2019 年两次运行的数据，证实了 2021 年的发现，并提高了其精度。他们观测到的g值——约为 2.0023——在第八位小数后与理论预测值有所偏差。
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“我们已经很好地确定了磁异常的真实值，”康奈尔大学的粒子物理学家、μ子g-2 合作组织的成员劳伦斯·吉本斯（Lawrence Gibbons）说。
如果这个结果几年前就出来了，物理学家们可能会将其誉为超越标准模型的物理学的确凿证据。但今天，事情并非如此简单。量子世界的事情很少有简单的，但这些量子工作的干扰因素在于，标准模型自身的预测也模糊不清。
“理论方面出现了一些变化，”贝利说。
物理学家认为，那些影响μ子g的“虚粒子”是通过不同的力起作用的。一些粒子通过电磁力拉扯，其影响很容易计算。另一些粒子则通过强核力作用（我们主要注意到它的影响是因为它将粒子束缚在原子核内）。计算强核力的影响非常复杂，理论粒子物理学家经常在计算中代入过去实验的数据。
然而，最近，一些理论小组采用了一种称为“晶格量子色动力学”或晶格 QCD 的技术，这使得他们能够在计算机上计算强核力的数值。当科学家们将晶格 QCD 的数字输入他们的g预测中时，他们得出的结果与μ子g-2 的结果更加一致。
更令人困惑的是，一个位于西伯利亚的不同的粒子实验——已知为 CMD-3——得出的结果也使μ子g-2 的差异消失。“那一个真让人挠头，”吉本斯说。
μ子g-2 合作组织尚未完成。处理 2021 年至 2023 年收集到的三倍数据仍然是合作组织待办事项清单上的工作。一旦他们分析完所有这些数据（可能在 2025 年准备就绪），物理学家们相信他们可以将g减 2 的估计值提高一倍。但尚不清楚这种改进是否会解决问题，因为理论物理学家们正在竞相更新他们的预测。μ子是否真的行为异常的问题仍然悬而未决。
