μ子反常磁矩：新旧数据矛盾引发新谜团
美国伊利诺伊州费米国家加速器实验室的物理学家曾用巨型磁环精确测量μ子的摆动幅度，多年过去，相关研究结果仍令学者们困惑不已。
Reidar Hahn/费米实验室
引言
25年来，物理学家一直被一个看似百万分之一量级的问题困扰：他们对特定粒子在磁场中摆动方式的理论预期，与实验观测结果始终存在冲突。这一差异曾带来令人振奋的暗示——人类或许正观测到未知粒子存在的证据。
然而到了2021年，这一线索似乎突然消失。研究者更新理论计算方法后发现，预测结果与实验数据的吻合度大幅提升，误差缩小至一千亿分之一。
但这又引发了新的谜题：旧计算方法看似完全合理，为何与新结果不符？旧预测并非纯理论推导，而是结合了其他实验数据得出的推论。如果旧计算与新结果冲突，且旧计算基于实验数据，那是否意味着那些旧实验中存在异常？
西伯利亚的一台粒子对撞机带来了一条颇具希望的线索：近期该设备的实验结果，与它自身及其他对撞机的过往数据出现显著偏差。这一结果引发了学界的研究热潮，物理学家们试图弄清：这些相互矛盾的测量结果，究竟是实验流程差异导致的副作用，还是未知粒子终究现身的信号？
诡异的摆动
这场谜团的核心粒子是μ子——电子的“重表亲”。μ子的行为类似微型条形磁铁，在磁场中旋转时，磁力会使其发生摆动，轨迹形成一个个更小的圆圈。这些圆圈的大小由一个名为“g因子”的数值决定。
若μ子完全孤立，不受其他粒子影响，其g因子将恰好等于2。但根据量子理论，其他所有粒子都会对g因子产生影响：μ子摆动时会释放光子等寿命极短、无法被探测器捕捉的粒子；这些粒子又会释放其他粒子，后者还可能继续产生新粒子。μ子会迅速重新吸收所有这些转瞬即逝的粒子，它们留下的唯一痕迹，就是让μ子的摆动幅度略微增大。通过这种复杂的粒子发射与吸收链，宇宙中每一种粒子都会对μ子的运动产生细微影响。
Samuel Velasco, Mark Belan/Quanta Magazine
正因如此，μ子额外摆动的精确幅度（即“g–2”值）成为窥探量子世界的宝贵窗口。伦敦大学学院资深研究员亚历克斯·凯沙瓦齐表示：“μ子g–2的测量结果，相当于在间接告诉我们宇宙中存在多少种粒子。”
2001年，长岛布鲁克海文国家实验室的一项实验测出μ子的g因子，结果比预期值更大，这让物理学家们兴奋不已。在一些人看来，这暗示着新粒子——甚至可能是构成暗物质的粒子——在发挥作用。
物理学家随即启动精度更高的实验以验证这一结果。2013年，布鲁克海文实验室直径50英尺的磁环经过精心规划，通过驳船和卡车辗转运至伊利诺伊州的费米国家加速器实验室（Fermilab），升级后的实验将收集更多数据。
为筹备新实验，物理学家也投入大量精力，试图厘清与实验数据不符的理论预测。他们的挑战在于，极度细致地解析μ子的粒子发射与吸收链，尤其是自然界四大基本力对应的粒子在这些链条中参与程度究竟如何。
四大基本力中，有三种的计算相对简单：引力过于微弱，可直接忽略；电磁力和弱核力则可通过标准方法推导得出。
但强核力的处理难度极高。这种力将夸克紧密束缚在一起，形成质子、中子等复合粒子，而标准理论方法对强核力并不适用，物理学家必须另辟蹊径。
2018年，凯沙瓦齐在其博士论文中协助完善了一种理解强核力的替代方法——数据驱动法。采用这种方法时，物理学家不会直接预测μ子发射和吸收夸克群的频率，而是通过实验进行测量。
测量的主要方式是让电子与其反物质伙伴正电子发生对撞。物质与反物质相互湮灭，产生包括夸克团在内的其他粒子。如果大量夸克出现，就说明它们与电子、正电子之间存在紧密的量子关联。简言之，正负电子对撞中产生的夸克越多，它们对μ子的影响就越强。
物理学家利用数据驱动法计算μ子磁摆动的预期幅度。2020年6月发布的这一预测结果，与费米实验室2021年4月公布的高精度实验测量值存在显著差异，其偏离程度几乎达到物理学家宣称发现新粒子所需的严格阈值。
然而，另一种理论计算却给出了截然不同的结论。
晶格模拟的突破
并非所有物理学家都采用数据驱动法计算μ子摆动，部分学者致力于通过更纯粹的理论技术进行预测。
这种方法类似天气预报的原理：理论上，追踪大气中每一缕微风的精确轨迹就能掌握天气变化，但实际操作中这根本不可能。因此气象学家会将大气划分为一个个大的立方体，构建三维网格，计算每个网格随时间的平均变化。
同理，物理学家难以追踪每一对夸克之间的强核力相互作用，于是他们采用一种名为“晶格量子色动力学（lattice QCD，量子色动力学是描述强核力的理论）”的技术，用大型网格模拟夸克的整体行为。
2014年，来自匈牙利布达佩斯、法国马赛和德国伍珀塔尔的研究者组成合作团队（简称BMW团队），启动了利用晶格量子色动力学计算μ子g因子的项目。
2013年，研究者通过海运、河运和公路，小心翼翼地将布鲁克海文实验室的磁环从纽约运往伊利诺伊州。
布鲁克海文国家实验室
起初，他们的预测精度仅为数据驱动法的十分之一。低能粒子的分布范围较广，要捕捉其可能的位置需要巨大的晶格；高能粒子所需的网格相对较小，但需要极高的精细度。参与该项目的伍珀塔尔大学教授卡尔曼·绍博回忆道：“当时没人能想象，晶格模拟有朝一日能达到与数据驱动法相当的精度。”
经过十年的技术攻关——包括开发巧妙的计算方法、等待算力提升——BMW团队终于构建出足够大且足够精细的网格。2021年，就在费米实验室发布更新后的μ子g–2测量值当天，BMW团队的研究结果发表于《自然》期刊。
根据BMW团队的晶格计算结果，费米实验室观测到的μ子摆动完全符合预期。此后，多个独立晶格研究团队也发布了一致的计算结果。
如今，许多物理学家认为μ子谜团已解开：晶格模拟显示，μ子的额外摆动完全可以用已知粒子在已知力的作用下发生的发射与吸收来解释。
那为何数据驱动法会得出不同结论？
不一致的实验结果
为弄清背后原因，物理学家深入研究了支撑数据驱动法的正负电子对撞实验。这类实验本应是直接观测夸克行为的窗口，但基于其数据的计算结果，既与最新实验结果不符，也与BMW团队的预测存在冲突。那么，这些对撞之后究竟发生了什么？
在俄罗斯南部城市新西伯利亚，VEPP-2000对撞机自千禧年以来断断续续地进行正负电子对撞实验。这是一台相对低能的对撞机，运行能量仅为日内瓦欧洲核子研究中心大型强子对撞机的六千分之一。
VEPP-2000配备两台探测器，可精确统计正负电子对撞后产生π介子（一种夸克团）的频率——物理学家正是利用这些数据推断强核力对μ子的影响程度。
2010年，物理学家为该对撞机安装了全新探测器，并借此更精确地测量π介子的产生速率，相关结果于2023年发表。更新设备后，他们发现这一速率发生了显著变化。
英国利物浦大学物理学家费多尔·伊格纳托夫是VEPP-2000对撞机π介子产生速率新测量团队的成员。
图片由费多尔·伊格纳托夫提供
“这太出乎意料了，没人想到会是这样，”团队成员、英国利物浦大学物理学家费多尔·伊格纳托夫说。
此前物理学家已发现π介子速率存在异常的微弱迹象：意大利和美国的实验测量结果开始出现偏差。但此次新测量结果不仅与该对撞机自身过往数据大幅偏离，且研究团队声称结果精度很高，这让问题无法再被忽视。
物理学家对这一结果进行了全面核查。凯沙瓦齐表示：“没有哪项测量像这次一样被反复推敲。”截至目前，尚未发现实验存在问题。
2024年，BMW团队利用晶格模拟预测了π介子产生速率，其计算结果与最新测量值基本吻合。VEPP-2000对撞机另一台探测器的初步数据也与新速率相符。与此同时，2023年对美国加州BABAR对撞机早期实验数据的分析结果，却与旧速率高度一致。
这一切让物理学家不禁疑惑：这些对撞机实验到底发生了什么？数据差异要么意味着未知粒子在干扰夸克，要么是某些被忽略的细节让人误以为夸克行为异常。无论哪种情况，粒子物理学家都无法安心，必须解开这个新的正负电子对撞谜团，弄清旧π介子速率与新速率哪个才是正确的。
凯沙瓦齐说：“此前四十年间，不同团队用不同方法、通过不同实验得到的测量结果描绘出的是完全不同的图景。我们还有太多工作要做。”
物理学前沿
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