美國費米國家實驗室最新公布，緲子g-2的測量精度已翻倍提升，這可能暗示了新粒子的存在，或許還可能是第五種基本力的跡象。
緲子g-2的反常磁矩問題已經是物理學領域揮之不去的難題超過二十年了。
你可能對緲子g-2這個術語感到陌生，那麽什麽是緲子，g-2又是什麽呢？它們與第五種基本力又有何聯系？
大家或許都有所耳聞，緲子是標準模型中的基礎粒子，屬於電子的第二代家族。相比電子，緲子的質素約重200倍，但自旋和電荷等其他性質與電子基本相同，因此它可視為一種「重型電子」。
緲子與電子一樣，具有相同的電荷，內部也存在自旋，這類似於帶電的旋轉小球，使緲子呈現出磁性，形成了一種小型磁鐵。
此外，緲子的磁性與其自旋的角動量量子數相關。理論上，自旋的角動量量子數與磁矩呈線性關系。
簡而言之，任何自旋非零且帶電的粒子都具有兩個重要參數：由自旋引起的磁矩和自旋角動量。
它們之間的比值通常是一個無因次的常數，我們用字母g來表示這個旋磁比。
早在1935年，物理學家利用當時的量子力學知識得出，無論是電子還是緲子的g因子理論值都應為2，即自旋磁矩與角動量之間的比值。
然而，到了1948年，科學家發現實際測量的g因子並非2，而是2.00238。
這一微小的差異推動了量子力學的進一步發展，促使量子電動力學的產生。
量子電動力學透過量子漲落來解釋這些偏差的來源。
量子漲落，又稱為真空漲落，指的是在看似空無一物的真空中，由於能量不斷轉化為質素（即微觀粒子），出現正反粒子對的短暫產生與湮滅現象。
因此，真空中的能量在轉化為質素的過程中，會短暫地產生正反粒子對，它們借來的質素很快就被還回，湮滅並釋放能量。從宏觀上看，能量守恒定律仍然成立。
量子漲落之所以會影響緲子的g因子，是因為緲子周圍的虛粒子對會與其短暫作用，當虛粒子接近緲子時，會使緲子的磁性增強，進而導致其自旋磁矩與角動量比增大，使g因子增值。
因此，盡管在上世紀，電子和緲子的g因子微小的理論與實驗差異並不被看重，物理學家認為這些微小差異僅是量子漲落的結果。
至21世紀初，隨著實驗技術的精進，對緲子g因子的測量變得更為精確。
2006年，美國布魯克海文國家實驗室對緲子的g值進行了重新測量。在考慮量子漲落後，理論上緲子的g值應該是如此。
但實際測量值與理論預測不符。
這時，科學家開始考慮，如果已經納入所有已知的量子漲落因素，為何理論與實驗仍有細微差異？
關於緲子g因子背後可能隱藏著新粒子或第五種基本力的猜想由此形成。
現在的問題集中在一個關鍵點：這些誤差是由量子漲落導致的，還是存在某種未知的因素？
最初我們以為緲子的g值為2，後來發現實際不為2，這個偏差被量子漲落解釋。因此，量子漲落和其他可能因素導致的偏差，應該以g值減2後再除以2來計算，得出一個新的比例因子，用α表示，代表緲子g因子的理論與實驗之間的所有誤差率。
之前我們認為α是由量子漲落引起的。但目前，即使考慮了所有已知的量子漲落因素，實驗測量的α值與理論仍有差異。
這種差異可能有兩種原因：一種是實驗缺陷導致的系統不確定性；另一種是理論導致的不確定性。
如果g-2的誤差由系統不確定性引起，則透過不斷提高實驗精度，理論與實驗終將吻合。
而如果g-2的誤差源於理論不確定性，則需要不斷提高理論預測的精度。
透過同時提升理論預測和實驗精度，直到二者達到一致。
如果理論和實驗的精度都已達到極限，但誤差仍然存在，那麽就需要考慮西格瑪值，這可能表明存在一種未知的因素。這種未知因素可能是新的粒子，或者是新的作用力。
2021年，美國費米國家實驗室透過大量數據分析，公布了最新的緲子g-2測量數據，實驗值為2.00233184122(±……82)，對應的理論預測值為2.00233183620(±……86)。
這些數碼中，小數點後第一位的2代表未考慮量子漲落的緲子g值。小數點後第七位反映的是納入量子漲落帶來的差異，而從小數點後第八位開始就是實驗與理論不符的差異。
此次實驗與理論的標準差為4.2西格瑪。
如果超過5西格瑪，這將被視為一項重大的新發現，因此我們還需要繼續提高實驗精度和理論預測精度。
在實驗物理學中，粒子質素的測量必然伴隨誤差，只有透過大量重復測量，才能獲得更精確的數據。
在測量粒子物理量時，1sigma的偏差意味著三次測量中有一次與理論預測不符，概率為33%。2sigma意味著在22次測量中有一次不符，概率為4.5%。3sigma意味著在370次測量中僅有一次不符，概率為0.27%。而5sigma意味著在1744278次測量中僅有一次不符，概率為0.00000057%。
5sigma被認為是粒子物理學中的一個黃金標準，任何超過此標準的數據都可能指向新的科學發現。
2023年8月10日，美國費米實驗室在一次新聞釋出會上宣布，對2021年的緲子g-2值進行了進一步強化，實驗精度已提高了一倍。
未來幾年將公布最新的分析結果，屆時如果西格瑪值超過5，將宣布這是一項全新的科學發現，可能是新的粒子，或是新的作用力，甚至可能需要對標準模型進行調整。
