?新物理的魅影？浅谈缪子g-2实验磁矩——旋转的带电陀螺自旋的故事量子效应与QED的胜利缪子是谁？缪子反常磁矩的测量“5个σ”的意义新物理还是其他？展望( 七 ) _小知识

第一种可能性，就是真的存在超出标准模型的新物理，并且缪子反常磁矩就是新物理的信号。我们前面已经提到过，量子场的涨落，会影响缪子的反常磁矩。如果有新的未知量子场，它的涨落就可能影响缪子的反常磁矩，尽管这种场对应的粒子可能很重，因此影响很小，但是它却可能被高度精确的实验所捕捉到。在包括著名的超对称模型在内的不少新物理模型中，都可能存在对缪子反常磁矩有贡献的新粒子。费米实验室的结果公布当天，高能物理预印本网站 arXiv.org 上就上线了 34 篇用新物理模型解释它的科研论文，其受关注程度可见一斑。由于反常磁矩本身就是一种量子涨落现象，要达到足够大的贡献，所需要的新粒子的质量不能过大。因此，尽管仅凭借缪子反常磁矩实验我们并不能知道到底是哪种新物理模型的新粒子导致了这个反常，人们仍然有可能、且只能通过（一个新粒子最终的发现，需要直接观测它，而不仅是看到它的影响）在未来的大型强子对撞机实验或者更高能量和精度的对撞机实验中找到它。
第二种可能性，是标准模型理论计算的精度估计有所偏差。理论物理学家对缪子反常磁矩的计算精度，比对电子反常磁矩的计算精度要低。这部分地源于缪子具有较大的质量，因而可以激发更强的量子涨落。在这些量子涨落中，有一些涉及到一类被称为“强子”的粒子的贡献。顾名思义，这些粒子之间彼此的相互作用很强，所以在计算的时候，涨落两次的概率不一定远远小于涨落一次的概率，人们也就很难判断计算究竟达到了何种精度。

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图19. 标准模型理论计算的难点。
近年来理论家用超级计算机直接对这些粒子的贡献进行数值计算（图 20 中那些绿色的方块），给出的结果显示先前的理论方法给出的结果（图 20 中红色的点）有较小且低估了误差的可能。然而，迄今为止，物理学家对新的数值计算方法的结果的误差分析和准确数值，还没有完全达成一致，不同组给出的计算结果和误差各不相同。这也是实验组此次没有采用新结果作为理论比较对象的原因之一。目前，理论界对于新结果的最终“结论”，也表现了极大的兴趣。

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图20. 不同理论计算对强子真空极化效应的结果。绿色结果是来自不同合作组的格点量子色动力学数值计算的结果，红色的点是通过R值色散关系计算的结果，竖直的蓝色虚线为实验测量值。(Sz. Borsanyi et al., Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03418-1 )
当然，还有其他可能的原因。比如，费米实验室缪子反常磁矩实验的技术有了进步，但是实验原理与十几年前的 E821 并无不同。4 月 7 日晚上报告人在回答听众提问时就半认真半玩笑地表示，如果有人能找到这个实验方法中的漏洞，那将是重要的工作。
展望费米国家实验室的缪子反常磁矩实验，以及前不久大型强子对撞机上的 LHCb 实验组对于 B 介子衰变中轻子同一性的测量得到的高于 3 倍标准差的反常。也许是后疫情时代高能物理高亮度前沿的第一批结果中，最吸引人的结果之二。不知道是否是巧合，这两个实验结果对标准模型的偏离，观测的都是和缪子相关的过程。这其中是否蕴含着超出标准模型的新物理的信息，我们今天还无法做出定论。然而毫无疑问的是，理论家和实验家将在今后的一段时间继续关注这些问题。

目前缪子反常磁矩实验组仅公布了 2018 年收集的实验数据的分析结果。在一期运行之后，缪子反常磁矩实验组对他们的实验设备进行了升级。2019 和 2020 年度收集的实验数据（二期和三期）正在分析之中，预计届时实验误差将减小到目前的一半左右。四期运行正在进行和计划中，他们准备将实验误差再减小一半。除此之外，未来还有计划中的新实验，准备用不同的实验原理测量缪子的反常磁矩。相信在不远的将来，缪子反常磁矩的实验和理论结果，能够对其中是否蕴含着新物理信号，给出更为确定和坚实的答案。

作者简介

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张昊，2011 年于北京大学物理学院获博士学位，毕业后先后在美国阿岗国家实验室、伊利诺伊理工大学和加州大学圣巴巴拉分校从事博士后研究工作，2016 年回国入职中国科学院高能物理研究所理论物理室任副研究员，中国科学院大学岗位教师，常年从事粒子物理理论和唯象学方向的研究，教授量子场论和粒子物理学基础等课程。

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