2021年4月7日，美國(guó)費(fèi)米科學(xué)實(shí)驗(yàn)室公布了第一批介子反常磁矩測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，他們將子反常磁矩的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。提高到前所未有的4.2，這種精度可能預(yù)示著新物理學(xué)的出現(xiàn)。所以這對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)來(lái)說(shuō)將是一個(gè)極其令人震驚的消息。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的g-2（反常磁矩）測(cè)量設(shè)備

為什么這一發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界引起如此轟動(dòng)？我們的基礎(chǔ)科學(xué)現(xiàn)在基于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。廣義相對(duì)論可以引導(dǎo)我們認(rèn)識(shí)宇宙大尺度的宏觀現(xiàn)象，而標(biāo)準(zhǔn)模型則描述微觀層面的粒子世界！在這兩個(gè)基石的加持下，我們逐漸對(duì)宇宙的本質(zhì)有了更清晰的認(rèn)識(shí)。中子星、黑洞等極端天體的發(fā)現(xiàn)，以及量子糾纏等幽靈般的量子現(xiàn)象，都是基于這兩個(gè)概念。最重要的基石是對(duì)世界本質(zhì)的理解！

然而，隨著探索的逐漸深入，兩大基石逐漸變得不足。就像暗物質(zhì)和暗能量一樣，它們超出了當(dāng)前的理論，還有物質(zhì)和反物質(zhì)的對(duì)稱性破缺、引力的量子化和黑洞的內(nèi)部。他們每個(gè)人都像一道屏障，阻擋著我們的前進(jìn)。但要跨越這些障礙，我們需要一套新的物理理論！

但在突破的過(guò)程中，我們遇到了困難！因?yàn)?，?biāo)準(zhǔn)型號(hào)太強(qiáng)大了！它的預(yù)測(cè)幾乎解釋了我們當(dāng)前所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)，我們所做的幾乎所有實(shí)驗(yàn)都在標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)范圍之內(nèi)，因此這就導(dǎo)致我們無(wú)法獲得標(biāo)準(zhǔn)模型之外的數(shù)據(jù)。所以它無(wú)法觸及新的物理機(jī)制！那么對(duì)此該怎么辦呢？一，要么建造更強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備（比如更高能量的對(duì)撞機(jī)），利用強(qiáng)大的設(shè)備尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)據(jù)！另外一個(gè)就是繼續(xù)用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，尋找那個(gè)不可能的機(jī)會(huì)！建造更強(qiáng)大的裝備并不容易！且不說(shuō)巨大的成本和人力，反對(duì)派也是施工前的一大障礙。所以想要利用強(qiáng)大的裝備，目前來(lái)說(shuō)，還是很渺茫的！所以，在強(qiáng)大的裝備出現(xiàn)之前，我們現(xiàn)在只能在現(xiàn)有的裝備中尋找這個(gè)超越標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的奇跡。這就是這項(xiàng)研究所做的！

那么這項(xiàng)研究到底做了什么？我們一開(kāi)始就提到，這項(xiàng)研究測(cè)量的是子的反常磁矩！

標(biāo)準(zhǔn)模型中，一共有62種基本粒子，分為兩大類，即費(fèi)米子和玻色子！費(fèi)米子是一種構(gòu)成物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本粒子。他們構(gòu)建了我們的世界！玻色子是一種傳遞四種相互作用力的粒子！費(fèi)米子包括兩種類型：輕子和夸克。輕子包括電子和中微子，夸克包括上夸克和下夸克。輕子和夸克之間的能量差異存在三代！

第一代是最穩(wěn)定的，所以構(gòu)成世界物質(zhì)的粒子都是在這一代完成的。 2代、3代極不穩(wěn)定。它們出生后，不會(huì)存活很長(zhǎng)時(shí)間，并且往往會(huì)腐爛成較輕的物質(zhì)。 子屬于第二代，是一種比電子能量更高的輕子，所以它們有時(shí)被稱為重電子！除了質(zhì)量之外，它還具有與電子幾乎相同的物理特性，例如相同的電荷和相同的自旋！根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的描述，基本粒子都有自旋，帶電荷的粒子都有磁矩。因此，電子、子等粒子都具有固有的磁矩，而磁矩的存在意味著，那么它們?cè)诖艌?chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)進(jìn)動(dòng)，就像陀螺的擺動(dòng)一樣！進(jìn)動(dòng)頻率的大小是由磁矩的大小決定的，所以通過(guò)測(cè)量進(jìn)動(dòng)頻率的大小，就可以確定磁矩！

但當(dāng)你實(shí)際測(cè)量時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)不符，存在偏差！這就是反常磁矩，標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)這種偏差給出了完美的解釋：

在實(shí)驗(yàn)中，我們測(cè)量的數(shù)值會(huì)受到量子效應(yīng)的影響！根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，我們所說(shuō)的真空并不是空的。它還包含虛擬粒子。雖然虛粒子產(chǎn)生后會(huì)很快湮滅，但它們的出現(xiàn)會(huì)影響粒子周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致粒子的磁矩發(fā)生微小的變化！因此，加入標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的量子效應(yīng)的干擾后，理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)值完全吻合！例如，考慮量子效應(yīng)后，電子磁矩的g因子的理論預(yù)測(cè)值為2.002319304362，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為2.002319304361。兩個(gè)值都等于小數(shù)點(diǎn)后11位，因此說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)模型的強(qiáng)大。害怕。但大約20年前，當(dāng)我們測(cè)量子的反常磁矩時(shí)，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間存在偏差。雖然這個(gè)偏差很小，但還不足以達(dá)到科學(xué)界的程度。其識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)差的5倍，但這讓科學(xué)家們看到了新物理學(xué)出現(xiàn)的跡象。偏離標(biāo)準(zhǔn)模型的反常磁矩表明，在它的背后，存在著標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋的物理機(jī)制，而這個(gè)物理機(jī)制就是我們正在尋找的新物理！因此，子成為尋找新物理的探針！

但如果要讓子反常磁矩的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)偏差得到認(rèn)可，實(shí)驗(yàn)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差必須達(dá)到5！于是在這之后，科學(xué)界開(kāi)始精確測(cè)量子的反常磁矩！自2017年起，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始對(duì)子反常磁矩進(jìn)行精確測(cè)量。測(cè)量四年后，第一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)于2021年4月7日發(fā)布，從公布的數(shù)據(jù)看，g因子的理論計(jì)算結(jié)果為2.00233183620(86)，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果為2.00233184080(82)，

這兩個(gè)值從小數(shù)點(diǎn)第8位開(kāi)始就不一樣了！這一精度使偏差達(dá)到了前所未有的4.2。雖然還沒(méi)有達(dá)到5級(jí)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，但已經(jīng)足以讓科學(xué)界瘋狂了。在這個(gè)幾十年來(lái)沒(méi)有重大發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)物理中，它就像一縷甘泉，讓我們即將干涸的科學(xué)看到了曙光！雖然我們還不知道這個(gè)新物理是什么，但只要我們接觸它，我們最終就會(huì)明白它！好的，這就是這項(xiàng)研究的總體解釋。這就是這個(gè)問(wèn)題的全部?jī)?nèi)容。我是滕寶，一位熱愛(ài)科學(xué)和天文學(xué)的科普創(chuàng)作者。也希望大家多多關(guān)注和支持。下一期見(jiàn)。謝謝你們。