物理化学|粒子物理标准模型错了？美国新发现公布：宇宙中或存在第五种基本力
今天发生了一件轰动物理学界的大事件 。
美国费米实验室最新的实验结果，可能颠覆我们50年来都奉为圭臬的粒子物理标准模型 。
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△Meon g-2实验装置（图片来自费米实验室）
标准模型是解释夸克、电子等微观粒子的物理模型，在微观领域取得了巨大的成功 。10年前人们发现希格斯玻色子，至此标准模型预言的所有粒子都被发现 。
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但费米实验室的实验结果指出，世界上可能还有标准模型未能预言的粒子 。这篇研究论文今天发表在顶级期刊《物理评论快报》上 。
实验发现，μ子的磁性超出了理论预测，虽然只相差0.1%，但却难以用标准模型解释 。
μ子可以说是电子的“表哥”，它和电子的带电量一致，却比电子重207倍 。通过测量表示μ子磁性的g因子，物理学家可能发现了背后隐藏的未知粒子 。
什么是g因子
像电子和μ子这样的粒子不仅带电，还具有磁场，就像一个“小磁针” 。
要解释这种现象，我们可以把它们看成是高速旋转的小球，电荷转动就会产生磁场 。
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我们还可以根据这种模型，用经典电磁理论算出电子或者μ子的磁矩 。
不过，微观粒子的“自旋”（spin）并不能简单地看成是自转，粒子的真实磁矩，和经典物理方法算出的磁矩会相差一个倍数，这就是g因子 。
如何微观粒子符合经典模型，那么g因子就等于1，然而实际上g因子一般都不等于1，因为自旋是一种量子力学才能描述的行为 。
对于电子和μ子来说，g因子约等于2 。因为它俩的自旋都是1/2，相当于一个物体旋转2圈才能和自己重合 。
但是它们的g因子又不完全等于2，至于为什么，我们接下来再说 。
g因子为何不等于2
1947年，实验发现电子的g因子约为2.00232 。
要解释这一结果，必须要使用量子电动力学（QED） 。和过去的量子力学不同，QED并不认为真空空无一物，会无时无刻产生和消失虚粒子，产生量子波动 。
物理学家施温格随后在论文中这样解释g因子不等于2的原因：因为电子在真空中会发射出光子，随后又吸收，从而改变了电子的磁场 。
μ子亦是如此 。
量子波动越少，对电子或μ子的g因子的影响就越小 。
产生虚光子只是一种改变磁矩的方式，电子或μ子也可能产生其他的重粒子，只不过概率要小得多 。
而μ子的比电子重207倍，产生重粒子的概率更大，量子波动更大，对g因子的影响也更大 。
电子的g因子大约是2.002319，μ子大约是2.002332 。当然，这些测量值在实验误差范围内都符合QED的预测 。
数十年来，理论物理学家一直在努力精确计算g因子，另一方面实验物理学家也在不断提高精度测量g因子 。
一旦二者出现了超出预期而又无法解释的偏差，那么可能意味着，与μ子相互作用的粒子中有我们所未知的 。它可能是暗物质粒子，也可能是超对称理论预言的粒子 。
μ子的g因子与2的差值是其中的关键，因此这类实验被叫做Muon g-2 。
测量g因子
第一个Muon g-2实验是欧洲核子研究中心在1959年做的，结果符合量子电动力学 。
美国布鲁克海文实验室之后进行了多次测量 。
2006年，物理学家发现μ子磁矩的测量值和理论值差距达到了3.7σ，但仍然很难否认是实验误差导致的结果 。
此后，费米实验室接过了Muon g-2实验，由于经费限制，他们不得不使用布鲁克海文实验室的磁铁，这是一个直径15米的超导磁环 。
由于体积巨大，这颗核心实验装置先被装船经过海运、河运，最后转移到专门设计的卡车上，才运达目的地 。
物理学家先撞击质子来制造大量的μ子，然后将μ子注入到磁环中 。
虽然μ子的寿命极短，只有几微秒，但是它的速度非常接近光速，可以在磁环中运转上百圈，已经足够完成测量 。
磁场中的μ子就像在地面上转轴倾斜的陀螺，自转轴高速地改变着方向（物理学中称之为“进动”） 。
μ子每在磁环中旋转一圈，其自转轴就偏转大约12度 。
物理学家要做的就是精确测量磁环内的磁场强度，以及μ子自转轴的偏转速度 。通过这两个数值就能计算出μ子的磁矩，从而得到g因子 。
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