一项著名物理实验迎来终章

图源：Ryan Postel, Fermilab

撰文 | 小雨

多年来，参与μ子g-2实验的物理学家一直报告称，μ子的反常磁矩（g-2）比标准模型的预测要更强。

粒子物理学标准模型描述了基本粒子的属性和它们之间的相互作用。

μ子的反常磁矩与标准模型预测之间的差异，曾让物理学界憧憬。因为这意味着自然界中或许存在着未被发现的新粒子或相互作用。

然而，2025年6月3日，μ子g-2实验合作组发布的最终结果粉碎了这一希望。新结果表明μ子的反常磁矩与标准模型预测的一致。

相关论文已经提交至《物理评论快报》。

g与2之差

μ子是一种寿命极短的基本粒子，与电子类似，但质量约为电子的200倍。和电子一样，它也具有一种称为“自旋”的量子属性，这种属性可以被视为它内部携带着一个微小的磁体。当处于外部磁场中时，这个“内部磁体”会像陀螺一样发生进动（摆动）。

μ子的这种摆动行为可以用一个无量纲常数——g因子（旋磁比）来描述。按照狄拉克方程的预测，g值应等于2。

但事实上，物理学家早已发现，真空并非“空无一物”。在量子力学的框架下，真空中充满了在极短的瞬间内不断产生又消失的虚粒子。这些虚粒子会影响μ子与磁场的相互作用，使g的值略大于2。

因此，g-2实验应运而生：如果标准模型存在任何遗漏部分，都会体现在这个“g与2之差”的微小偏离中。

历时20多年的追踪

20世纪90年代末至21世纪初，布鲁克海文国家实验室（BNL）开展了μ子g-2实验。结果显示μ子的磁性比标准模型预测值高出4.3ppb（十亿分之一）。这样的结果虽引人关注，但尚不具定论性。

为了获得更高精度的结果，物理学家决定对实验装置进行升级。2013年，他们将布鲁克海文国家实验室的磁存储环从纽约长岛跨州运送至5000公里外的费米实验室（Fermilab）。经过多年技术改造，费米实验室的新一轮g-2实验于2017年5月31日正式启动。

与此同时，理论界也在进步。一个由理论物理学家组成的国际合作组成立了“μ子g-2理论倡议”，旨在改进标准模型对μ子磁矩的计算精度。2020年，他们发布了一个新的预测值，采用依赖于其他实验数据的“数据驱动方法”。

图示显示了μ子g-2实验在2018年至2023年期间六次运行中累计分析的正电子数量，反映了实验数据规模的持续增长。（图/μ子g-2实验合作组）

2021年，费米实验室公布了第一轮实验结果，在精度略有提升的情况下，确认了布鲁克海文国家实验室早期的观测结果。但与此同时，另一种高度依赖计算能力的理论计算方法也出现了，即格点量子色动力学。这一新方法得出的预测值更接近实验测量结果，从而缩小了这一偏差。

2023年，实验合作组基于2019–2020年数据发布了第二轮结果，其精度达到第一轮的两倍。

µ子g-2实验的终章

现在，µ子g-2实验的物理学家发布了μ子反常磁矩的最后一轮（第三轮）实验结果，其实验值为：

(g-2)/2 = 0.001 165 920 705 +/- 0.000 000 000 114（统计误差）+/- 0.000 000 000 091（系统误差）

μ子g-2合作组基于过去三年的数据得出的最终实验结果，进一步巩固了这一实验的世界平均值。（图/µ子g-2实验合作组）

这一测量结果的精度甚至超过了原定的实验目标。

而就一周前，理论倡议团队也发布了一个整合多个研究结果的新理论预测值，这一最新的预测值与最新一轮的实验结果完全一致。这意味着，曾经被寄予厚望的超越标准模型的“新物理”迹象，可能只是理论模型尚不完备所致。

科学的胜利

对于那些希望借此发现新物理的科学家来说，这项历经二十几年的实验并没有带来“惊天动地”的突破，但其结局并非失败。

几十年来，μ子的磁矩一直是检验标准模型的严格基准。如今，μ子g-2实验通过超高精度的测量，验证并约束了理论模型，为今后更复杂的理论计算树立了清晰的基准线。

此外，这项成果本身就是一项精度极高、挑战极大的实验成就。物理学家指出，这将是未来多年内世界上最精确的μ子反常磁矩的测量结果，不仅成为标准模型的又一支柱，也将为未来探索未知世界提供坚实支点。

参考来源

[1] https://news.fnal.gov/2025/06/muon-g-2-most-precise-measurement-of-muon-magnetic-anomaly/

[2] https://www.science.org/content/article/long-running-physics-experiment-dashes-hope-new-particles-and-forces

本文经授权转载自微信公众号“原理”。

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