“我们曾经想过会引起关注，这个结果肯定非常重要，但还是没预料到会有这么大轰动。” 谈及美国费米国家实验室公布的缪子反常磁矩实验（Muon g-2 实验）首个结果，亲自参与该项目的上海交通大学物理与天文学院教授李亮告诉 DeepTech。

近日，美国费米实验室向世人宣布了一项振奋人心的消息——缪子的行为与标准模型理论值不符！

而缪子反常磁矩的实验结果，有可能会开辟一个新的物理研究领域，甚至开启一个新的物理纪元。

图 | 费米国家加速器实验室的 Muon g-2 环（来源：美国费米国家实验室）

值得一提的是，上海交通大学于 2012 年成立了缪子物理研究团队，并参加了费米国家实验室主持的缪子反常磁矩实验，团队由李亮教授与该校许金祥副教授领衔。

图 | 许金祥副教授（左） 、李亮教授（右）（来源：受访者）

上海交大团队同时参与了缪子进动频率、精确磁场的测量、校准以及束流动力学效应等方面的研究，是当前合作组中参与各项测量任务最全面的实验团队之一。

对于该实验，学界可以说是翘首以盼，因为缪子反常磁矩实验是对标准模型的最严格检验，不过这个模型并非那么完美，因为自然界可能还存在某种未发现的粒子、或未知的作用力，因此不论哪一种，都将是震惊物理学界的发现。

神奇的缪子

缪子又称 μ 子，于 1936 年被瑞典裔美国物理学家卡尔?安德森发现，它是一种不稳定的基本粒子，其带有一个单位负电荷，静质量为电子的 207 倍（约 105.6 MeV/c），可以看成是超重版的电子。此外，缪子的衰变产物包含电子和中微子。

历史上，关于缪子的研究有很多，在杨振宁和李政道的宇称不守恒理论研究中，也曾见到它的身影。而如今，缪子反常磁矩的实验结果，又增添了它的神秘色彩。

所谓 “磁矩” 其实就是粒子磁性的表现，每个带电基本粒子由于自旋，都有自己的磁矩。根据经典理论，基本粒子的磁矩中 g 因子都是 2。

图 | Fermilab MC-1 大楼中的 Muon g-2 粒子存储环（来源：美国费米国家实验室）

但是，空间的量子泡沫效应、以及与其他粒子的相互作用，都会对粒子的磁矩产生微小的影响，而这个微小的量子修正就是反常磁矩（g-2）。

其实早在 2001 年，就有来自美国布鲁克海文实验室的团队，进行了缪子反常磁矩测量的实验，并得到了与标准模型偏差 3.7 倍标准方差（3.7σ）的结果，该实验结果最终于 2006 年以论文形式发表。

粒子物理的标准模型是一套描述强力、弱力、电磁力及它们组成所有物质的基本粒子的理论框架。它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。

截止目前，几乎所有对以上三种力的实验结果，都合乎该理论的预测。但是缪子反常磁矩结果的超出，是对标准模型模型的一个挑战，它表明该模型也许并不是那么完美。

时隔二十年，2021 年，费米实验室进行了更加精确的实验，其结果与布鲁克海文实验的结果基本一致，两者综合测量的结果与理论值的偏差为 4.2σ，这再次表明缪子的反常磁矩与理论模型的预测确实有偏差。

大多数粒子学家们一致认为，这一结果相当重要，但要成为坚实有力的证据，还需要达到 5σ。

“5σ” 是粒子物理学用来判定发现的通用标准，也称 “5 倍标准方差”，取得等于或者高于 5σ 的实验结果，就能被 “坐实 “为 “铁证”。

在统计学上，这是置信区间的另一种说法，例如 95% 的置信区间，其标准方差约为 2.5σ，99.7% 的置信区间则为 3σ，而 5σ 就意味着只有百万分之一错误的概率。

图 | 在 2013 年检查 Muon g-2 环（来源：美国费米国家实验室）

而此次实验有如此高的测量精度，堪称是当今粒子物理学、乃至整个物理学精度最高的实验之一。

之前布鲁克海文实验室的核心装置 “储存环” 被运到费米实验室，由 7 个国家、35 个研究单位的近 200 个科研工作者组成的研究团队，对实验设备进行建造和调试，并对每个细节都提出了最高要求，才达到这样的测量精度。

图 | 左图：上一代的缪子反常磁矩实验于 1990 年代在美国长岛的布鲁克海文实验室进行。2013年人们使用驳船和卡车，将近 700 吨重的储存环沿大西洋海岸，横穿墨西哥湾、然后沿密西西比河和德斯普兰斯河上运送到至费米实验室进行新实验的建造；右图：2013 年 7 月成千上万的人庆祝它的到来（来源：Quanta Magazine；左图 Darin Clifton；右图 Reidar Hahn）

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