停滞100年的物理学，终于迎来全新的突破？第五种力要被发现了？

最近，美国费米国家实验室宣布对μ子g-2的测量精度提高1倍，可能暗示发现新的粒子，也可能是第五种基本作用力。

(相关资料图)

μ子g-2反常磁矩现象是困扰物理学家20多年的物理学乌云。

可能你看到μ子g-2会感到很陌生，什么是μ子，什么又是g-2。这又和第五种基本作用力有什么关系。

μ子大家或许都听说过，它是标准模型中的一个基本粒子，属于电子家族，属于第二代电子，μ子除了质量比电子大200多倍外，自旋和电荷等其余性质基本和电子相同。所以你可以将μ子看成是一种重电子。

μ子和电子一样，携带相同的电荷，并且内部还有自旋，这就相当携带电荷的旋转小球，这种旋转就可以让μ子内部形成一个小磁铁，所以μ子就具有磁矩。

另外μ子的磁性还和自旋的角动量量子数有关。理论上，自旋的角动量量子数和磁矩是一种线性关系。

简单来说，一个自旋不为0，且带电的粒子，就存在两个重要的参数，一个是自旋引起的磁矩，叫做自旋磁矩，另一个自旋角动量。

况且它们之间存在线性关系，所以它们之间的比值往往是一个无量纲的常数，也就是旋磁比。我们用字母g代表这个旋磁比。

早在1935年，物理学家就利用当时最前沿的量子力学的相关知识计算得出，电子和μ子的g因子都为2，也就是自旋磁矩和角动量之间的比值为2。

但到了1948年，科学家发现实际测量的g因子并不为2，而是。

看起来如此微小的差距也带来量子力学的进步，为了完善实验和理论的误差，量子电动力学孕育而生。

有了更为先进的量子电动力学，我们也就可以解释这的差值到底是怎么来的。

量子电动力学用量子涨落解释这些差值的由来。

量子涨落也叫真空涨落，因为这是一种由真空引发的虚粒子对的产生和湮灭现象。在空无一物的真空中，依旧存在能量，在量子尺度上，能量往往和质量会不断相互转化，能量可以是一种抽象的运动形式，但是质量往往都是具象的存在，质量的具象载体就是微观粒子。

所以真空中的能量在转变成质量的过程中，会平白无故的冒出一对正反粒子对，由于正反粒子拥有的质量是从真空借的，所以很快就得湮灭，并且释放能量，并还给真空。所以真空中会不断出现从能量转变成质量(正反粒子)，再从质量转变成能量的过程(正反粒子对湮灭)。从局部来看，能量守恒定律是被暂时“打破”的，但整体来看，能量守恒定律依旧成立。

这就是量子涨落，之所以量子涨落会影响μ子的g因子数值，是因为μ子周围也会不断冒出正反粒子对，这些粒子会和μ子产生短暂的作用，比如当虚粒子靠近μ子时，就会导致μ子磁性增加，这样一样，μ子的自旋磁矩和角动量比例就会增加，导致g因子变大。

所以在上个世纪，物理学家对电子和μ子的g因子值出现实验与理论不符的微小差距并不是很在意，因为那时候物理学家认为这些微小的差值只是由量子涨落引发的。

关于μ子g因子的测量，直到21世纪才有新的进展，因为这时候实验的精度越来越高，所以对μ子g因子的测量也就越精确。

在2006年，美国布鲁克海文国家实验室，再次对μ子的g值进行测量。在引入量子涨落后，μ子的g值在理论上应该是这样的

但实际测量并不是这一数值，而是这样的。

这时候问题就出现了，既然已经考虑到已知所有的量子涨落因素，为什么理论和实验还存在细微的误差呢?。

这时候关于μ子g因子的背后可能蕴藏一种新发现的粒子或者第五种基本力的想法才渐渐形成。

现在的问题就集中到一点上，也就是说这些误差到底是因为量子涨落导致的，还是存在一种未知的变量。

最早我们认为μ子的g值，也就是旋磁比为2，后来发现并不为2，这个差值由量子涨落承担。所以只由量子涨落和其他可能因素引起的差值率应该是g值减去2，再除于2，这样就得到一个新的因子，并由α表示。所以α代表的就是μ子g因子的理论和实验之间的所有误差率。

之前我们认为α是由量子涨落引起的。但是现在新的问题是，如今我们已经考虑了所有已知的量子涨落的因素。

但是实验测量的α值和理论依旧存在误差。

关于这个误差目前有两种可能性，第一种就是由实验缺陷引起的不确定性，也叫系统不确定性。

第二种就是由理论引发的不确定性，也叫理论不确定性。

如果g-2的误差是系统不确定引发的，那就不断提高实验精度，最后实验和理论就会符合。

当如果g-2的误差是理论不确定性引发的，那就不断提高理论预测的精度。

一边不断提高理论预测的精度，另一边不断提高实验的精度，直到实验和理论吻合为止。

如果理论和实验的精度都达到极致，还存在误差的话，就得考虑西格玛值了。因为这极有可能存在未知的变量在作祟。而这未知的变量无非就是一种新的粒子，或者是一种全新的作用力。

2021年，美国费米国家实验通过大量的实验数据分析，公布了当时最新的测量数据，测量的g值为(±……82)，而与此对应的理论预测值为(±……86)。

这这组数字中，小数点个位数的2，是不考虑量子涨落的μ子g值。小数点后7位是纳入量子涨落带来的差异，而从小数点后八位开始就是实验和理论不符的差异。

而此次理论和实验的标准差为西格玛。

如果超过5西格玛，可能就是全新的发现，所以我们还需不断提高实验精度和理论预测精度。

在实验物理中，测量粒子的质量肯定存在误差，只有大量重复的测量，才能获得更多的数据，数据就越精确。

在测量粒子的物理量时，偏差值是1sigma意味着，测量三次数据，只有一次和理论预测不符，概率是33%。2sigma意味着测量22次数据，只有一次和理论预测不符，概率为%，3sigma意味着测量370次数据，只有一次与理论预测不符，概率为%。5sigma意味着测量1744278次数据，只有一次和理论不符，概率为%

5sigma在粒子物理中是黄金标准，任何超过5sigma的数据都被视为有可能的新发现。

2023年8月10日，美国费米实验室举行新闻发布会，宣布对2021年的μ子g-2值再次强化，实验精度已经提高一倍

后续最新分析结果还得未来几年公布，到时候一旦西格玛值超过5，就会宣布这是一项全新的发现，可能是新粒子，也或许是新的作用力，更或许需要对标准模型进行修改。

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