美国费米国家实验室最新公布，μ子g-2的测量精度已翻倍提升，这可能暗示了新粒子的存在，或许还可能是第五种基本力的迹象。
μ子g-2的反常磁矩问题已经是物理学领域挥之不去的难题超过二十年了。
你可能对μ子g-2这个术语感到陌生，那么什么是μ子，g-2又是什么呢？它们与第五种基本力又有何联系？
大家或许都有所耳闻，μ子是标准模型中的基础粒子，属于电子的第二代家族。相比电子，μ子的质量约重200倍，但自旋和电荷等其他性质与电子基本相同，因此它可视为一种「重型电子」。
μ子与电子一样，具有相同的电荷，内部也存在自旋，这类似于带电的旋转小球，使μ子呈现出磁性，形成了一种小型磁铁。
此外，μ子的磁性与其自旋的角动量量子数相关。理论上，自旋的角动量量子数与磁矩呈线性关系。
简而言之，任何自旋非零且带电的粒子都具有两个重要参数：由自旋引起的磁矩和自旋角动量。
它们之间的比值通常是一个无量纲的常数，我们用字母g来表示这个旋磁比。
早在1935年，物理学家利用当时的量子力学知识得出，无论是电子还是μ子的g因子理论值都应为2，即自旋磁矩与角动量之间的比值。
然而，到了1948年，科学家发现实际测量的g因子并非2，而是2.00238。
这一微小的差异推动了量子力学的进一步发展，促使量子电动力学的产生。
量子电动力学通过量子涨落来解释这些偏差的来源。
量子涨落，又称为真空涨落，指的是在看似空无一物的真空中，由于能量不断转化为质量（即微观粒子），出现正反粒子对的短暂产生与湮灭现象。
因此，真空中的能量在转化为质量的过程中，会短暂地产生正反粒子对，它们借来的质量很快就被还回，湮灭并释放能量。从宏观上看，能量守恒定律仍然成立。
量子涨落之所以会影响μ子的g因子，是因为μ子周围的虚粒子对会与其短暂作用，当虚粒子接近μ子时，会使μ子的磁性增强，进而导致其自旋磁矩与角动量比增大，使g因子增值。
因此，尽管在上世纪，电子和μ子的g因子微小的理论与实验差异并不被看重，物理学家认为这些微小差异仅是量子涨落的结果。
至21世纪初，随着实验技术的精进，对μ子g因子的测量变得更为精确。
2006年，美国布鲁克海文国家实验室对μ子的g值进行了重新测量。在考虑量子涨落后，理论上μ子的g值应该是如此。
但实际测量值与理论预测不符。
这时，科学家开始考虑，如果已经纳入所有已知的量子涨落因素，为何理论与实验仍有细微差异？
关于μ子g因子背后可能隐藏着新粒子或第五种基本力的猜想由此形成。
现在的问题集中在一个关键点：这些误差是由量子涨落导致的，还是存在某种未知的因素？
最初我们以为μ子的g值为2，后来发现实际不为2，这个偏差被量子涨落解释。因此，量子涨落和其他可能因素导致的偏差，应该以g值减2后再除以2来计算，得出一个新的比例因子，用α表示，代表μ子g因子的理论与实验之间的所有误差率。
之前我们认为α是由量子涨落引起的。但目前，即使考虑了所有已知的量子涨落因素，实验测量的α值与理论仍有差异。
这种差异可能有两种原因：一种是实验缺陷导致的系统不确定性；另一种是理论导致的不确定性。
如果g-2的误差由系统不确定性引起，则通过不断提高实验精度，理论与实验终将吻合。
而如果g-2的误差源于理论不确定性，则需要不断提高理论预测的精度。
通过同时提升理论预测和实验精度，直到二者达到一致。
如果理论和实验的精度都已达到极限，但误差仍然存在，那么就需要考虑西格玛值，这可能表明存在一种未知的因素。这种未知因素可能是新的粒子，或者是新的作用力。
2021年，美国费米国家实验室通过大量数据分析，公布了最新的μ子g-2测量数据，实验值为2.00233184122(±……82)，对应的理论预测值为2.00233183620(±……86)。
这些数字中，小数点后第一位的2代表未考虑量子涨落的μ子g值。小数点后第七位反映的是纳入量子涨落带来的差异，而从小数点后第八位开始就是实验与理论不符的差异。
此次实验与理论的标准差为4.2西格玛。
如果超过5西格玛，这将被视为一项重大的新发现，因此我们还需要继续提高实验精度和理论预测精度。
在实验物理学中，粒子质量的测量必然伴随误差，只有通过大量重复测量，才能获得更精确的数据。
在测量粒子物理量时，1sigma的偏差意味着三次测量中有一次与理论预测不符，概率为33%。2sigma意味着在22次测量中有一次不符，概率为4.5%。3sigma意味着在370次测量中仅有一次不符，概率为0.27%。而5sigma意味着在1744278次测量中仅有一次不符，概率为0.00000057%。
5sigma被认为是粒子物理学中的一个黄金标准，任何超过此标准的数据都可能指向新的科学发现。
2023年8月10日，美国费米实验室在一次新闻发布会上宣布，对2021年的μ子g-2值进行了进一步强化，实验精度已提高了一倍。
未来几年将公布最新的分析结果，届时如果西格玛值超过5，将宣布这是一项全新的科学发现，可能是新的粒子，或是新的作用力，甚至可能需要对标准模型进行调整。
