當數百名物理學家在二月底聚集在Zoom電話會議上討論他們的實驗結果時，他們誰也不知道自己發現了什麼。就像臨床試驗中的醫生一樣，μ子g-2實驗的研究人員對他們的資料進行了盲化處理，隱藏了一個單一變數，這使得他們在多年來不會對他們正在處理的資訊產生偏見或瞭解其真實含義。
但是，當資料透過Zoom公佈時，物理學家們知道等待是值得的：他們的結果進一步證明了新的物理學隱藏在μ子中，μ子是電子的更笨重的表親。“那是我們知道結果的時候。在那之前我們一無所知，”倫敦大學學院的物理學家麗貝卡·奇斯萊特說，她是μ子g-2合作組織的一員。“這既令人興奮又令人緊張，也讓人鬆了一口氣。”
儘管標準模型在解釋構成宇宙的基本粒子和力方面取得了顯著成功，但其描述仍然嚴重不完整。例如，它沒有解釋引力，同樣，它對暗物質、暗能量和中微子質量的本質也保持沉默。為了解釋這些現象以及更多，研究人員一直在尋找新的物理學——超越標準模型的物理學——透過尋找實驗結果與理論預測不同的異常現象。
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μ子g-2是位於伊利諾伊州巴塔維亞費米國家加速器實驗室的一項實驗，旨在精確測量磁性μ子的磁性，方法是觀察它們在磁場中的擺動。如果這些粒子的磁矩的實驗值與理論預測不同——即出現異常——這種偏差可能就是新物理學的跡象，例如某些微妙且未知的μ子影響粒子或力。最新更新的μ子實驗值，於週三在物理評論快報上報道，與理論的偏差僅為一個極小的值 (0.00000000251)，並且具有4.2 sigma的統計顯著性。* 但即使是如此微小的量也可能深刻地改變粒子物理學的方向。
“我的第一印象是‘哇’，”費米實驗室的理論物理學家戈爾丹·克爾尼亞伊奇說，他沒有參與這項研究。“對於像我們這樣的投機者來說，這幾乎是最好的情況……我更傾向於認為這可能是新的物理學，並且它對未來的實驗以及與暗物質的可能聯絡具有影響。”
並非所有人都如此樂觀。許多異常現象出現後又消失，留下標準模型取得勝利，物理學家們對突破性發現的前景感到厭倦。
“我的感覺是，太陽底下無新鮮事，”義大利帕多瓦大學的實驗物理學家托馬索·多里戈說，他也沒有參與這項新研究。“我認為這仍然更可能是一個理論上的誤算……但這肯定是我們目前必須研究的最重要的事情。”
μ子幾乎與電子相同。這兩種粒子具有相同的電荷和其他量子性質，例如自旋。但是μ子比電子重約200倍，這導致它們的壽命很短，並衰變成更輕的粒子。因此，μ子不能像電子那樣在形成結構中發揮關鍵作用：分子和山脈等——實際上，原子之間幾乎所有的化學鍵——都因為電子的穩定性而得以持久。
當德國物理學家保羅·昆澤在1933年首次觀察到μ子時，他不確定該如何看待它。“他展示了一條既不是電子也不是質子的軌跡，他稱之為——我的翻譯——‘一種性質不確定的粒子’，”波士頓大學的物理學家、μ子g-2的實驗物理學家李·羅伯茨說。新發現的粒子是對原本有限的亞原子粒子陣容的一個令人好奇的複雜化，這導致物理學家伊西多·伊薩克·拉比著名地驚歎，“想想μ子。誰訂購了它？” 隨後幾十年裡發現的大量奇異粒子表明，μ子實際上是一個更大集合的一部分，但歷史對拉比的困惑仍然是友好的：事實證明，μ子可能確實有些奇怪之處。
2001年，紐約州厄普頓布魯克海文國家實驗室的E821實驗發現，μ子的磁矩與理論存在偏差的跡象。當時，這一發現還不夠可靠，因為它只有3.3 sigma的統計顯著性：也就是說，如果沒有新的物理學，那麼科學家仍然會期望在1000次實驗執行中看到一次如此大的差異，這僅僅是出於純粹的偶然性。該結果低於五sigma——三十五百萬分之一的偶然事件——但足以激起研究人員對未來實驗的興趣。
由於具有4.2 sigma的統計顯著性，研究人員還不能說他們已經做出了發現。但是，μ子中新物理學的證據——結合最近在日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）中觀察到的異常現象——是誘人的。
移動μ子
大多數物理實驗都會重複使用部件。例如，大型強子對撞機是建立在為其前身——大型電子正電子對撞機——設計的隧道中的，並且之前也由其佔用。但是，μ子g-2背後的實驗人員比大多數人走得更遠，他們沒有建造新的磁鐵，而是將50英尺的環從布魯克海文運到3200英里外的新家——費米實驗室。
磁鐵在μ子g-2中佔據中心位置。正π介子的束流——由一個上夸克和一個下反夸克組成的輕粒子——衰變成μ子和μ中微子。μ子被收集並引導到磁鐵周圍的有序圓形路徑中，它們最多會在衰變成正電子之前繞行數千次。透過檢測μ子衰變的方向，物理學家可以提取有關粒子如何與磁鐵相互作用的資訊。
這個過程是如何運作的？將每個μ子想象成一個微型模擬時鐘。當粒子繞磁鐵旋轉時，它的時針以理論預測的速率旋轉。當μ子的時間到了時，它會衰變成一個正電子，該正電子會沿時針方向發射出來。但是，如果時針的轉速與理論不同——例如，滴答聲太快——正電子衰變最終將指向略有不同的方向。（在這個類比中，時針對應於μ子的自旋，這是一種量子性質，它決定了μ子衰變的方向。）檢測到足夠多的偏離正電子，你就會發現異常。
異常意味著什麼是不明確的。可能存在標準模型未考慮到的因素，並且可能是電子和μ子之間的差異。或者，電子中可能存在類似的效果，但目前太小而無法看到。（粒子的質量與其與較重未知粒子的相互作用程度有關，因此μ子的質量約為電子的200倍，因此對未知粒子更敏感。）
μ子g-2於2017年開始收集其首次執行的資料，但結果直到現在才出來，因為處理這些資訊是一項艱鉅的任務。“儘管人們可能希望早點看到結果，但這恰恰反映了我們為了理解事物而長期進行盡職調查，”費米實驗室物理學家布倫丹·基堡說，他是該合作組織的一員。
μ子g-2的實驗值本身並沒有太多意義。為了有意義，它必須與最新的理論預測進行比較，而理論預測本身是約130名物理學家共同努力的成果。
所有這些腦力的必要性歸結為一點：當μ子在空間中傳播時，該空間並不是真正空曠的。相反，它是一個沸騰和湧動的無限數量的虛粒子的湯，這些粒子可以突然出現和消失。μ子有很小的機會與這些粒子相互作用，這些粒子會拉扯它，影響它的行為。計算虛粒子對μ子自旋的影響——其時針轉動的速率——需要一系列同樣艱鉅且極其精確的理論確定。
所有這些都意味著μ子的理論預測本身也存在不確定性，理論家們一直在努力減少這種不確定性。一種方法是透過格點量子色動力學（QCD），這是一種依賴於大量計算能力來數值求解虛粒子對μ子的影響的技術。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的物理學家艾達·X·埃爾-卡德拉說，她沒有參與實驗結果，大約有六個小組都在熱衷於解決這個問題。
進入物理層面
樂趣才剛剛開始。在未來的幾天和幾周內，大量的理論論文將試圖更好地理解新的結果。引入新粒子（例如Z'玻色子和輕子夸克）的模型將根據新資訊進行更新。雖然一些物理學家推測μ子異常究竟可能意味著什麼，但將不確定性降低並將異常推高至五sigma以上的努力仍在進行中。
根據基堡和奇斯萊特的說法，μ子g-2的第二次和第三次執行的資料預計將在大約18個月後釋出，這些資訊可能會將異常推過五sigma閾值——或降低其顯著性。如果它不是決定性的，日本東海的J-PARC（日本質子加速器研究中心）的研究人員可能會有一個答案。他們計劃使用略有不同的方法獨立證實μ子g-2的結果，以觀察μ子的行為。與此同時，理論家們將繼續改進他們的預測，以減少他們自身測量的不確定性。
然而，即使所有這些努力都證實μ子中存在新的物理學，它們也無法揭示新的物理學究竟是什麼。揭示其本質所需的工具可能是一個新的對撞機——許多物理學家正在透過國際直線對撞機和高亮度LHC等提案呼籲的東西。在過去的幾個月中，人們對μ子對撞機的興趣激增，多篇論文預測，μ子對撞機將保證物理學家能夠確定影響μ子的未知粒子或力的性質。
即使是那些對新結果的意義持懷疑態度的人也不禁發現了一線希望。“這對粒子物理學來說是好事，”多里戈說，“因為粒子物理學已經沉寂了一段時間。”
*編者注：本文作者與《物理評論快報》的處理編輯羅伯特·加里斯托有關，但他們在論文發表前沒有就該論文進行過溝通。