停滯100年的物理學(xué)，終于迎來全新的突破？第五種力要被發(fā)現(xiàn)了？

最近，美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室宣布對μ子g-2的測量精度提高1倍，可能暗示發(fā)現(xiàn)新的粒子，也可能是第五種基本作用力。

μ子g-2反常磁矩現(xiàn)象是困擾物理學(xué)家20多年的物理學(xué)烏云。

可能你看到μ子g-2會(huì)感到很陌生，什么是μ子，什么又是g-2。這又和第五種基本作用力有什么關(guān)系。

μ子大家或許都聽說過，它是標(biāo)準(zhǔn)模型中的一個(gè)基本粒子，屬于電子家族，屬于第二代電子，μ子除了質(zhì)量比電子大200多倍外，自旋和電荷等其余性質(zhì)基本和電子相同。所以你可以將μ子看成是一種重電子。

μ子和電子一樣，攜帶相同的電荷，并且內(nèi)部還有自旋，這就相當(dāng)攜帶電荷的旋轉(zhuǎn)小球，這種旋轉(zhuǎn)就可以讓μ子內(nèi)部形成一個(gè)小磁鐵，所以μ子就具有磁矩。

另外μ子的磁性還和自旋的角動(dòng)量量子數(shù)有關(guān)。理論上，自旋的角動(dòng)量量子數(shù)和磁矩是一種線性關(guān)系。

簡單來說，一個(gè)自旋不為0，且?guī)щ姷牧Ｗ樱痛嬖趦蓚€(gè)重要的參數(shù)，一個(gè)是自旋引起的磁矩，叫做自旋磁矩，另一個(gè)自旋角動(dòng)量。

況且它們之間存在線性關(guān)系，所以它們之間的比值往往是一個(gè)無量綱的常數(shù)，也就是旋磁比。我們用字母g代表這個(gè)旋磁比。

早在1935年，物理學(xué)家就利用當(dāng)時(shí)最前沿的量子力學(xué)的相關(guān)知識(shí)計(jì)算得出，電子和μ子的g因子都為2，也就是自旋磁矩和角動(dòng)量之間的比值為2。

但到了1948年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)實(shí)際測量的g因子并不為2，而是2.00238。

看起來如此微小的差距也帶來量子力學(xué)的進(jìn)步，為了完善實(shí)驗(yàn)和理論的誤差，量子電動(dòng)力學(xué)孕育而生。

有了更為先進(jìn)的量子電動(dòng)力學(xué)，我們也就可以解釋這0.00238的差值到底是怎么來的。

量子電動(dòng)力學(xué)用量子漲落解釋這些差值的由來。

量子漲落也叫真空漲落，因?yàn)檫@是一種由真空引發(fā)的虛粒子對的產(chǎn)生和湮滅現(xiàn)象。在空無一物的真空中，依舊存在能量，在量子尺度上，能量往往和質(zhì)量會(huì)不斷相互轉(zhuǎn)化，能量可以是一種抽象的運(yùn)動(dòng)形式，但是質(zhì)量往往都是具象的存在，質(zhì)量的具象載體就是微觀粒子。

所以真空中的能量在轉(zhuǎn)變成質(zhì)量的過程中，會(huì)平白無故的冒出一對正反粒子對，由于正反粒子擁有的質(zhì)量是從真空借的，所以很快就得湮滅，并且釋放能量，并還給真空。所以真空中會(huì)不斷出現(xiàn)從能量轉(zhuǎn)變成質(zhì)量(正反粒子)，再從質(zhì)量轉(zhuǎn)變成能量的過程(正反粒子對湮滅)。從局部來看，能量守恒定律是被暫時(shí)“打破”的，但整體來看，能量守恒定律依舊成立。

這就是量子漲落，之所以量子漲落會(huì)影響μ子的g因子數(shù)值，是因?yàn)棣套又車矔?huì)不斷冒出正反粒子對，這些粒子會(huì)和μ子產(chǎn)生短暫的作用，比如當(dāng)虛粒子靠近μ子時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致μ子磁性增加，這樣一樣，μ子的自旋磁矩和角動(dòng)量比例就會(huì)增加，導(dǎo)致g因子變大。

所以在上個(gè)世紀(jì)，物理學(xué)家對電子和μ子的g因子值出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與理論不符的微小差距并不是很在意，因?yàn)槟菚r(shí)候物理學(xué)家認(rèn)為這些微小的差值只是由量子漲落引發(fā)的。

關(guān)于μ子g因子的測量，直到21世紀(jì)才有新的進(jìn)展，因?yàn)檫@時(shí)候?qū)嶒?yàn)的精度越來越高，所以對μ子g因子的測量也就越精確。

在2006年，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室，再次對μ子的g值進(jìn)行測量。在引入量子漲落后，μ子的g值在理論上應(yīng)該是這樣的

但實(shí)際測量并不是這一數(shù)值，而是這樣的。

這時(shí)候問題就出現(xiàn)了，既然已經(jīng)考慮到已知所有的量子漲落因素，為什么理論和實(shí)驗(yàn)還存在細(xì)微的誤差呢?。

這時(shí)候關(guān)于μ子g因子的背后可能蘊(yùn)藏一種新發(fā)現(xiàn)的粒子或者第五種基本力的想法才漸漸形成。

現(xiàn)在的問題就集中到一點(diǎn)上，也就是說這些誤差到底是因?yàn)榱孔訚q落導(dǎo)致的，還是存在一種未知的變量。

最早我們認(rèn)為μ子的g值，也就是旋磁比為2，后來發(fā)現(xiàn)并不為2，這個(gè)差值由量子漲落承擔(dān)。所以只由量子漲落和其他可能因素引起的差值率應(yīng)該是g值減去2，再除于2，這樣就得到一個(gè)新的因子，并由α表示。所以α代表的就是μ子g因子的理論和實(shí)驗(yàn)之間的所有誤差率。

之前我們認(rèn)為α是由量子漲落引起的。但是現(xiàn)在新的問題是，如今我們已經(jīng)考慮了所有已知的量子漲落的因素。

但是實(shí)驗(yàn)測量的α值和理論依舊存在誤差。

關(guān)于這個(gè)誤差目前有兩種可能性，第一種就是由實(shí)驗(yàn)缺陷引起的不確定性，也叫系統(tǒng)不確定性。

第二種就是由理論引發(fā)的不確定性，也叫理論不確定性。

如果g-2的誤差是系統(tǒng)不確定引發(fā)的，那就不斷提高實(shí)驗(yàn)精度，最后實(shí)驗(yàn)和理論就會(huì)符合。

當(dāng)如果g-2的誤差是理論不確定性引發(fā)的，那就不斷提高理論預(yù)測的精度。

一邊不斷提高理論預(yù)測的精度，另一邊不斷提高實(shí)驗(yàn)的精度，直到實(shí)驗(yàn)和理論吻合為止。

如果理論和實(shí)驗(yàn)的精度都達(dá)到極致，還存在誤差的話，就得考慮西格瑪值了。因?yàn)檫@極有可能存在未知的變量在作祟。而這未知的變量無非就是一種新的粒子，或者是一種全新的作用力。

2021年，美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，公布了當(dāng)時(shí)最新的測量數(shù)據(jù)，測量的g值為2.00233184122(±……82)，而與此對應(yīng)的理論預(yù)測值為2.00233183620(±……86)。

這這組數(shù)字中，小數(shù)點(diǎn)個(gè)位數(shù)的2，是不考慮量子漲落的μ子g值。小數(shù)點(diǎn)后7位是納入量子漲落帶來的差異，而從小數(shù)點(diǎn)后八位開始就是實(shí)驗(yàn)和理論不符的差異。

而此次理論和實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差為4.2西格瑪。

如果超過5西格瑪，可能就是全新的發(fā)現(xiàn)，所以我們還需不斷提高實(shí)驗(yàn)精度和理論預(yù)測精度。

在實(shí)驗(yàn)物理中，測量粒子的質(zhì)量肯定存在誤差，只有大量重復(fù)的測量，才能獲得更多的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就越精確。

在測量粒子的物理量時(shí)，偏差值是1sigma意味著，測量三次數(shù)據(jù)，只有一次和理論預(yù)測不符，概率是33%。2sigma意味著測量22次數(shù)據(jù)，只有一次和理論預(yù)測不符，概率為4.5%，3sigma意味著測量370次數(shù)據(jù)，只有一次與理論預(yù)測不符，概率為0.27%。5sigma意味著測量1744278次數(shù)據(jù)，只有一次和理論不符，概率為0.00000057%

5sigma在粒子物理中是黃金標(biāo)準(zhǔn)，任何超過5sigma的數(shù)據(jù)都被視為有可能的新發(fā)現(xiàn)。

2023年8月10日，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室舉行新聞發(fā)布會(huì)，宣布對2021年的μ子g-2值再次強(qiáng)化，實(shí)驗(yàn)精度已經(jīng)提高一倍

后續(xù)最新分析結(jié)果還得未來幾年公布，到時(shí)候一旦西格瑪值超過5，就會(huì)宣布這是一項(xiàng)全新的發(fā)現(xiàn)，可能是新粒子，也或許是新的作用力，更或許需要對標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行修改。