20年物理疑云消散！「μ子異常」最新實驗未發現顯著偏差，標準粒子模型屹立不倒

魚羊 2025-06-10 12:32:45 來源：量子位

魚羊 發自 凹非寺

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一度轟動物理學界的「μ子異常」，涼了。

美國費米實驗室公布的最新實驗結果顯示：

盡管在2021年，研究人員發現μ子的磁性超出理論預測0.1%，令粒子物理標準模型籠上一朵陰云。

但他們的「最終」測試結果指出，并未發現新的顯著偏差。

也就是說，一切仍與標準模型相符，此前被認為可能顛覆粒子物理學的「異常」并不成立。

所謂標準模型，是解釋夸克、電子等微觀粒子的物理模型。在希格斯玻色子被發現之后，標準模型預言的所有粒子都已被發現。

理論成功歸成功，物理學家們卻從未停止對「權威」的挑戰——畢竟，在標準模型下，一些普遍存在的開放性問題不能得到很好的解釋，比如暗物質。

在這種背景之下，打從2001年就漂浮起的「μ子異常」疑云，對于物理學界而言無疑充滿了誘惑。

但現在，圍繞于此的好奇和質疑，可能都要煙消云散了。

μ子g-2異常

我們還是先回到事情的起點：什么是μ子異常？

μ子是一種帶電輕子，與電子性質相似，但質量約為電子的207倍。

μ子的磁矩反映了它在磁場中的行為，可以用一個無量綱參數g來描述：g=2+aμ。

其中，aμ是μ子磁矩的反常值。

在標準模型中，理論計算可以非常精確地預測這個值，而如果實驗測得的值與理論不符，就可能暗示著新物理現象。

換句話說，粒子物理學的標準模型就被顛覆了，必須改寫標準模型，引入新的粒子。

懷疑的種子可以追溯到20年前。2001年，美國布魯克海文國家實驗室（BNL）最早嗅到了異常。

他們實驗測得的aμ值為116592089(63)×10^-11，而標準模型理論預測值為116591810(43)×10^-11。兩者之間的偏差為3.7σ——

還不到能用來宣布重大發現的5σ，但已經足以激起物理學家們的好奇心。

在2013年，物理學家們費盡心思把實驗裝置從BNL運到了費米實驗室，以便在實驗中采用更強大的μ子源。

就是這個大家伙，一個直徑15米的超導磁環：

2017年，計算μ子的g因子與2的差值的Muon g-2合作項目開啟。2021年，更令人激動的結果出現了：

費米實驗室的初步結果與BNL結果一致，并且偏差進一步擴大到了4.2σ。

但，橋豆麻袋……理論物理學家們發現，這事兒不對啊！

理論預測出問題了

同樣是在2021年，在費米實驗室3.7σ的實驗結果出爐后，布達佩斯-馬賽-烏普塔爾（BMW）合作組率先考慮到了理論計算的誤差值。

他們提出了一種新的計算μ子反常磁矩的方法：基于格點量子色動力學（lattice QCD）的計算方法。

傳統方法依賴于實驗測量（如電子-正電子對湮滅數據）來計算強子真空極化對反常值的貢獻。

而格點QCD則直接從理論基礎出發，避免了對實驗數據的依賴，消除了理論計算中面臨的主要誤差來源。

好家伙不算不知道，一算嚇一跳。BMW發現，新的計算結果與其他理論預測均不一致，相反，跟Muon g-2測到的實驗值是對得上的！

也就是說，如果BMW的結果是正確的，那理論和實驗之間本來就不存在真正的分歧，鬧了半天，μ子異常就是個烏龍……

在此之后，格點QCD方法迅速流行了起來，并得到了多種形式的改進。

值得關注的另一個重大進展是，2023年，俄羅斯的CMD-3項目，還基于傳統數據驅動的方法，得到了跟BMW和費米實驗室實驗值一致的結果。

另一邊，費米實驗室也在繼續提高實驗結果的精確性。

2023年，費米實驗室進一步將實驗結果的精度提高了1倍，

而現在，最終測量結果的精度來到了127億分之一——相當于用測量一粒向日葵種子的精度來稱量一頭野牛的重量。

同時，今年5月份，「Muon g-2理論倡議」合作組的最新理論計算結果也顯示：標準模型和實驗之間不存在矛盾，兩者之間的差異不到十億分之一。

疑云仍未完全消散

那么，現在就能完全斷言「μ子異常」并不存在了嗎？

物理學家們的說法是，理論研究仍在進行中，可能還需要幾年時間才能最終確定。

標準模型再次在風暴中立住陣腳，但這也并不意味著對于μ子的探索會停下腳步。

上海交通大學副教授、Muon g-2項目成員許金祥就透露，目前費米實驗室正在研究如何重新利用實驗中使用的μ子「儲存環」和磁鐵，來探索更多未知。

無論是否存在異常，我們都能從中了解到一些關于自然的新知識。

能發現異常當然最好，但如果什么也沒有，那我們也知道了要到其他更有可能的方向上發現新物理。

參考鏈接：
[1]https://arxiv.org/abs/2506.03069
[2]https://arxiv.org/abs/2505.21476
[3]https://www.scientificamerican.com/article/a-blockbuster-muon-anomaly-may-have-just-disappeared/

— 完 —