所謂的μ子異常，最早在2001年布魯克海文國家實驗室的一項實驗中觀察到，一直沒有改變。20年來，μ子磁矩的計算值與其實驗確定值之間的細微差異一直徘徊在約3.7σ的顯著性水平。置信水平為99.98%，或大約有四千五百分之一的機率，這種差異是隨機波動。隨著費米國家加速器實驗室在伊利諾伊州巴塔維亞進行的μ子g-2實驗剛剛公佈的結果，顯著性已提高至4.2σ。置信水平約為99.997%，或大約有四萬分之一的機率，觀察到的偏差是巧合。就其本身而言，費米實驗室的最新測量結果只有3.3σ的顯著性，但由於它重現了布魯克海文早期的發現，綜合顯著性已升至4.2σ。儘管如此，後者仍未達到粒子物理學家五西格瑪的發現閾值。
該結果備受期待，因為它有可能最終打破粒子物理學的標準模型，這是一個包含了迄今為止已知的物質基本成分的集合，已經存在了大約50年。該模型目前包含了幾十種粒子，但其中大多數是不穩定的，因此無法透過觀察我們周圍的正常物質來發現。然而，不穩定的粒子會在高能事件中自然產生，例如當宇宙射線撞擊高層大氣時。它們也在實驗室創造的粒子碰撞中產生，例如費米實驗室用於測量μ子磁矩的實驗。
μ子是最早已知的不穩定粒子之一，其發現可以追溯到1936年。它是電子的較重版本，並且像後者一樣，它帶電。μ子的壽命約為兩微秒。對於粒子物理學家來說，這是一段很長的時間，這也是該粒子適合進行精密測量的原因。μ子的磁矩決定了粒子的自旋軸圍繞磁力線軌道執行的速度。為了在費米實驗室測量它，物理學家創造了μ子，並用強大的磁鐵讓它們在一個直徑約15米的圓圈中運動。μ子最終會衰變，並且可以從衰變產物的分佈中推斷出它們的磁矩。
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結果通常以“g-2”的形式引用，其中“g”是磁矩。“2”的包含是因為該值接近於2——而物理學家感興趣的是與2的偏差中的量子貢獻。這些貢獻來自真空漲落，其中包含所有粒子，儘管是以虛粒子的形式：它們只是短暫出現，然後又消失了。這意味著，如果存在比標準模型中更多的粒子，它們應該對μ子g-2做出貢獻——因此它的相關性。因此，與標準模型預測的偏差可能意味著存在比當前已知的粒子更多的粒子——或者存在一些其他新的物理學，例如額外的空間維度。
那麼我們該如何衡量標準模型的預測與新測量結果之間4.2σ的差異呢？首先，記住粒子物理學家最初使用五西格瑪標準的原因是有幫助的。原因與其說是粒子物理學在某種程度上比科學的其他領域更精確，或者粒子物理學家更擅長做實驗，不如說是粒子物理學家擁有大量資料。而且你擁有的資料越多，你就越有可能發現偶然看起來像訊號的隨機波動。粒子物理學家在1990年代中期開始普遍使用五西格瑪標準，以避免因過多的“發現”後來被證明僅僅是統計波動而感到尷尬。
但當然，五西格瑪完全是一個任意的界限，粒子物理學家也討論遠低於該界限的異常現象。事實上，多年來，相當多的三西格瑪和四西格瑪異常現象來來去去。例如，希格斯玻色子早在1996年就被“發現”了，當時在日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的大型正負電子對撞機（LEP）上出現了一個約四西格瑪的訊號——然後又消失了。（希格斯玻色子於2012年被LEP的繼任者大型強子對撞機或LHC確鑿地探測到。）同樣在1996年，在約三西格瑪處發現了夸克亞結構。它們也消失了。
2003年，在LEP上看到了超對稱的跡象——這是標準模型的一個推測性擴充套件，引入了新的粒子——也在約三西格瑪處。但很快它們就消失了。在2015年的LHC上，我們看到了雙光子異常，它在四西格瑪附近徘徊，然後消失了。也有一些驚人的六西格瑪發現未得到證實，例如1998年費米實驗室Tevatron上的“超噴流”（即使現在也沒有人真正知道它們是什麼）或2004年德國質子-電子環加速器（HERA）加速器上的五夸克觀測（五夸克實際上直到2015年才被探測到）。
這段歷史應該有助於您衡量如何認真對待任何統計顯著性為4.2σ的粒子物理學主張。但當然，g-2異常現象的有利之處在於，它的顯著性變得更強而不是更弱。
異常現象的持續存在意味著什麼？低能量下的高精度實驗，例如這次實驗，是對高能量實驗的補充。它們可以提供類似的資訊，因為原則上，來自高能量的所有貢獻也都存在於低能量下。只是它們非常小——我們談論的是實驗和理論之間在小數點後第11位的差異。
實際上，這意味著預測的計算必須精確地解釋許多微小的貢獻才能達到要求的精度。在粒子物理學中，這些計算是使用費曼圖完成的——帶有節點和連結的小圖，表示粒子及其相互作用。它們是跟蹤必須計算哪些積分的數學工具。
隨著精度的提高，這些計算變得更加複雜，因為有更多更大的圖。對於μ子g-2，物理學家必須計算超過15,000個圖。儘管計算機在很大程度上有所幫助，但這些計算仍然非常具有挑戰性。一個特別令人頭疼的問題是強子貢獻。強子是由幾個夸克組成的複合粒子，由膠子結合在一起。計算這些強子對g-2值的貢獻非常困難，並且目前是理論方面最大的誤差來源。當然，還有各種交叉測量發揮作用，例如依賴於其他常數值的預測，包括輕子的質量和耦合常數。
因此，這種差異可能更平凡地意味著標準模型的計算存在問題，強子貢獻是主要的懷疑物件。但也可能問題在於標準模型本身，而不是我們的計算。也許這種差異來自新的粒子——超對稱粒子是最受歡迎的候選者。這種解釋的問題在於，超對稱不是一個模型——相反，它是大量模型的屬性，來自該更大整體的不同模型各自產生不同的預測。除其他外，g-2貢獻取決於假設的超對稱粒子的質量，這是未知的。因此，目前不可能將這種差異歸因於特定的超對稱。
費米實驗室對磁矩的新高精度測量是一項卓越的實驗成就。但現在宣佈標準模型被打破還為時過早。
這是一篇觀點和分析文章。