物質(zhì)是由不可分割的粒子或“原子”構(gòu)成的，這一觀點可以追溯到兩千多年前,。然而,，已知的第一個基本粒子——電子，直到1897年才被發(fā)現(xiàn),。20世紀(jì)早期積累的實驗證據(jù)表明,，原子本身是由原子核，以及繞著原子核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成的,。

到了上個世紀(jì)50年代和60年代,，人們對操縱原子核的興趣不斷增加,，與此同時，也開始展開將高能粒子束碰撞在一起的粒子物理實驗,。從碰撞的碎片中,，物理學(xué)家推測出了61種基本粒子的存在，構(gòu)成了今天熟知的粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型,。

近年來,，標(biāo)準(zhǔn)模型中的μ子吸引了大量的關(guān)注。μ子與電子都屬于輕子,，其質(zhì)量大約是電子的200倍,。μ子很不穩(wěn)定，能夠在很短的時間內(nèi)就衰變成電子和中微子,。預(yù)測μ子的磁矩大小,，一直是高能物理學(xué)中最具挑戰(zhàn)性的計算之一。

能夠進(jìn)一步提高μ子磁矩的計算精度,，是許多物理學(xué)家為之奮斗的目標(biāo),。μ子的磁矩之所以重要，是因為每個粒子和每種基本力的信息,，都被編碼在μ子磁矩的數(shù)值中,。如果能夠以超高的精度預(yù)測并測量μ子的磁矩，就能夠測試標(biāo)準(zhǔn)模型是否完備,。

  g-2的計算  

簡單來說,，理論預(yù)測的μ子的磁矩（通常用g表示）應(yīng)該等于2。如果這個值不等于2,，就意味著μ子與其他已知或未知的粒子和力發(fā)生了相互作用,。因此，許多科學(xué)家都在專注于預(yù)測和測量g-2,。

在g-2的理論預(yù)測計算中,，有幾個部分與電磁力、弱力和強(qiáng)力有關(guān),。與光子和電子等電磁粒子有關(guān)的部分被認(rèn)為是世界上最精確的計算,；與弱相互作用粒子，如中微子,、W和Z玻色子以及希格斯玻色子有關(guān)的部分,，也得到了很好的描述；最具挑戰(zhàn)的部分源自于與夸克和膠子等強(qiáng)相互作用粒子有關(guān)的部分,，描述它們的作用的方程式非常復(fù)雜,。

盡管異常復(fù)雜，但在理論上,，這部分影響仍是可計算的,，并且物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)展了幾種不同的方法來對其進(jìn)行計算,。

一種方法是通過使用與強(qiáng)力有關(guān)的實驗數(shù)據(jù)來評估這部分計算。當(dāng)電子和正電子碰撞時,，它們會湮滅并產(chǎn)生由夸克和膠子構(gòu)成的粒子,，如π介子。π介子在這些碰撞中的產(chǎn)生頻率,，正是預(yù)測強(qiáng)力對μ子g-2的影響所必需的數(shù)據(jù),。

幾十年來,，在美國,、中國、意大利,、俄羅斯,、日本進(jìn)行的電子-正電子對撞實驗，都對夸克和膠子的影響進(jìn)行了測量,。所有的這些實驗結(jié)果都由一個被稱為“μ子g-2理論組織”的合作組匯編,，這個合作組是由實驗物理學(xué)家和理論物理學(xué)家組成的。

2020年,，該合作組宣布了當(dāng)時對μ子g-2做出的最佳標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測,。10個月后，美國費米國立加速器實驗室的μ子g-2實驗組的研究人員公布了他們第一次測量的結(jié)果,。兩者的比較表明,，實驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測存在較大差異。這意味著,，標(biāo)準(zhǔn)模型是不完備的,，μ子可能與尚且未知的粒子或力發(fā)生了相互作用。

另一種方法是使用超級計算機(jī),，對夸克和膠子相互作用的復(fù)雜方程進(jìn)行計算,。這是一種被稱為格點規(guī)范理論的數(shù)值方法。雖然這種方法已經(jīng)經(jīng)過了良好驗證,，但事實上,，直到最近才獲得了能夠以所需精度計算μ子g-2的計算能力。

因此,，在2021年之前發(fā)布的格點計算結(jié)果,，其精度并不足以測試標(biāo)準(zhǔn)模型。然而,，值得一提的是,，在一篇于2021年4月發(fā)表在《自然》雜志的論文中，一組研究人員使用格點規(guī)范理論做出的預(yù)測結(jié)果,，與使用電子-正電子數(shù)據(jù)得到的結(jié)果相差甚遠(yuǎn),。

  新的最佳測量結(jié)果  

在過去的幾個月里,，強(qiáng)力對μ子g-2的影響的計算結(jié)果變得更加復(fù)雜了。新一輪的電子-正電子數(shù)據(jù)來自SND合作組和CMD3合作組,，這是在俄羅斯新西伯利亞的VEPP-2000電子-正電子對撞機(jī)上進(jìn)行的兩個實驗,。SND合作組的結(jié)果與之前的電子-正電子數(shù)據(jù)一致，而CMD3合作組的結(jié)果與之前的數(shù)據(jù)卻不一致,。

出了什么問題,？物理學(xué)家無法給出簡單的答案，但為了能夠更好地量化標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測,，所有的相關(guān)團(tuán)隊都在共同努力,。

最新的消息是，費米實驗室進(jìn)行μ子g-2實驗的科學(xué)家,，計劃于8月10日正式公布對μ子磁矩進(jìn)行的最精確測量結(jié)果,。這一最新結(jié)果是基于2019年和2020年收集到的數(shù)據(jù)所得到的。由于新的分析涉及到大量的額外數(shù)據(jù),，μ子g-2合作組預(yù)期新的結(jié)果會比他們的第一次實驗結(jié)果精確兩倍,。

此外，費米實驗室的μ子g-2實驗還在今年春天完成了數(shù)據(jù)采集,。分析這些所有的數(shù)據(jù)還需要幾年的時間,，研究人員預(yù)計將能夠在2025年公布最終結(jié)果。這將是一場萬眾矚目的盛事,。與此同時,，高能物理界正熱切期待著費米實驗室μ子g-2實驗即將發(fā)布的最新的最佳測量結(jié)果。

參考來源：

https://news./2023/07/what-does-the-standard-model-predict-for-the-magnetic-moment-of-the-muon/