美国的费米实验室最近宣布，他们已经将μ子g-2的测量精度提升了两倍。这一进展可能指向新粒子的存在，或是揭示了第五种基本力的线索。
μ子g-2的异常磁矩一直是物理界长达二十年的谜团。
μ子g-2听起来可能很陌生。那么，什么是μ子，什么是g-2，它们和第五种基本作用力有何联系呢？
μ子，可能对许多人来说是个熟悉的名字，它是标准模型中的一种基本粒子，和电子一样属于轻子家族，但是作为第二代的电子，μ子的质量比电子重约200倍。除质量之外，μ子的自旋、电荷等属性与电子大致相同，因此，它有时被视作「重电子」。
μ子携带和电子相同的电荷，并且具有自旋，这使得它就像一个带电的旋转球体，能在其内部生成一个小磁场，因此μ子具备磁矩。
μ子的磁性特性还与其自旋的角动量量子数相关联。理论上，自旋的角动量量子数与磁矩之间有线性关系。
简而言之，任何自旋非零且带电的粒子都会展现两个重要属性：由自旋产生的磁矩，即自旋磁矩，以及自旋角动量。它们之间的比值，一个无量纲的常数，被称为旋磁比，用字母g来表示。
1935年，物理学家首次使用当时尖端的量子力学理论计算出，电子和μ子的g因子理论上应为2，即自旋磁矩与角动量的比值等于2。
然而到了1948年，科学家们测量得到的g因子并非严格等于2，而是2.00238。这个细微的偏差促进了量子力学的发展，并导致量子电动力学的诞生。
量子电动力学通过量子涨落来解释这个偏差的原因。
量子涨落，也称为真空涨落，是指在虚空中，即使没有物质存在，能量依然存在并且在量子尺度上能与质量相互转化。这种能量到质量（通过产生虚粒子对）再到能量（通过虚粒子对的湮灭）的转化过程，虽然暂时打破了能量守恒定律，但从宏观上看能量守恒仍然成立。
量子涨落之所以会影响μ子的g因子值，是因为μ子周围也会产生正反粒子对，这些粒子与μ子发生短暂作用，如当虚粒子接近μ子时，会使μ子的磁性增强，导致其自旋磁矩与角动量的比值上升，使得g因子增大。
因此，上个世纪物理学家对于电子和μ子g因子的微小差异不以为然，认为这些差异仅是由量子涨落引起的。
直到21世纪，随着实验技术的提高，对μ子g因子的测量变得更加精确。
2006年，美国布鲁克海文国家实验室再次对μ子的g值进行了测定，通过纳入量子涨落的考虑，理论上μ子的g值应该具有特定的数值。
然而，实际测得的数值与此不符。这一发现引发了物理学界的广泛关注，因为所有已知的量子涨落因素都已经被考虑在内，理论与实验之间的微小差异仍然存在。
这种差异引出了一个假设：背后可能隐藏着一种未被发现的粒子或第五种基本力。目前，这种误差的来源成为了一个焦点问题，是由量子涨落导致的，还是存在未知的因素？
起初，物理学家认为μ子的g值（旋磁比）应该是2，后来发现实际值并非如此，这个差异被认为是由量子涨落导致的。因此，量子涨落以及其他潜在因素引起的偏差，可以通过将g值减去2再除以2来计算，从而得到一个新的比例因子，用α表示。α因此代表了μ子g因子理论与实验之间所有的误差比率。
先前，α被认为完全是量子涨落引起的。但现在的挑战在于，尽管已考虑了所有已知的量子涨落因素，实验测量的α值与理论预测之间依然存在差异。
对于这个差异，目前有两种可能的解释：一种是由于实验设计的缺陷，即系统的不确定性；另一种是理论的不确定性所致。
如果g-2的误差源自于系统不确定性，通过不断提高实验精度，理论和实验结果最终应该能够一致。而如果误差源自理论不确定性，就需要不断提升理论预测的精确度。
通过同时提高理论预测的精确度和实验的精度，我们期待理论和实验能够相吻合。如果在双方精度达到极限后，仍存在误差，就需要考虑西格玛值了，这可能意味着存在一种未知的变量，可能是新的粒子或全新的作用力。
2021年，美国费米国家实验室基于大量实验数据，发布了最新的μ子g值测量结果，显示出与理论预测值之间的微小差异。
这组数据中，小数点后的数值反映了考虑量子涨落效应后的结果，而小数点后第八位及之后的数字代表了实验与理论不符的差异。这一次，理论与实验之间的差异达到了4.2西格玛。
一旦西格玛值超过5，就可能标志着新的科学发现。因此，物理学界继续努力提高实验和理论的精确度，以期达到或超过这一标准。
2023年8月10日，费米国家实验室宣布，对μ子g-2值的测量精度已经提高了一倍，这一进展可能会在未来几年内揭示新的科学发现，无论是新粒子的发现，新的基本作用力的证据，还是对标准模型的修正，都将是一次重大的科学进步。
