停滯100年的物理學，終于迎來全新的突破？第五種力要被發現了？

最近，美國費米國家實驗室宣布對μ子g-2的測量精度提高1倍，可能暗示發現新的粒子，也可能是第五種基本作用力。

μ子g-2反常磁矩現象是困擾物理學家20多年的物理學烏云。

可能你看到μ子g-2會感到很陌生，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系。

μ子大家或許都聽說過，它是標準模型中的一個基本粒子，屬于電子家族，屬于第二代電子，μ子除了質量比電子大200多倍外，自旋和電荷等其余性質基本和電子相同。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，并且內部還有自旋，這就相當攜帶電荷的旋轉小球，這種旋轉就可以讓μ子內部形成一個小磁鐵，所以μ子就具有磁矩。

另外μ子的磁性還和自旋的角動量量子數有關。理論上，自旋的角動量量子數和磁矩是一種線性關系。

簡單來說，一個自旋不為0，且帶電的粒子，就存在兩個重要的參數，一個是自旋引起的磁矩，叫做自旋磁矩，另一個自旋角動量。

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

早在1935年，物理學家就利用當時最前沿的量子力學的相關知識計算得出，電子和μ子的g因子都為2，也就是自旋磁矩和角動量之間的比值為2。

但到了1948年，科學家發現實際測量的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的進步，為了完善實驗和理論的誤差，量子電動力學孕育而生。

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

量子電動力學用量子漲落解釋這些差值的由來。

量子漲落也叫真空漲落，因為這是一種由真空引發的虛粒子對的產生和湮滅現象。在空無一物的真空中，依舊存在能量，在量子尺度上，能量往往和質量會不斷相互轉化，能量可以是一種抽象的運動形式，但是質量往往都是具象的存在，質量的具象載體就是微觀粒子。

所以真空中的能量在轉變成質量的過程中，會平白無故的冒出一對正反粒子對，由于正反粒子擁有的質量是從真空借的，所以很快就得湮滅，并且釋放能量，并還給真空。所以真空中會不斷出現從能量轉變成質量(正反粒子)，再從質量轉變成能量的過程(正反粒子對湮滅)。從局部來看，能量守恒定律是被暫時“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，之所以量子漲落會影響μ子的g因子數值，是因為μ子周圍也會不斷冒出正反粒子對，這些粒子會和μ子產生短暫的作用，比如當虛粒子靠近μ子時，就會導致μ子磁性增加，這樣一樣，μ子的自旋磁矩和角動量比例就會增加，導致g因子變大。

所以在上個世紀，物理學家對電子和μ子的g因子值出現實驗與理論不符的微小差距并不是很在意，因為那時候物理學家認為這些微小的差值只是由量子漲落引發的。

關于μ子g因子的測量，直到21世紀才有新的進展，因為這時候實驗的精度越來越高，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驗室，再次對μ子的g值進行測量。在引入量子漲落后，μ子的g值在理論上應該是這樣的

但實際測量并不是這一數值，而是這樣的。

這時候問題就出現了，既然已經考慮到已知所有的量子漲落因素，為什么理論和實驗還存在細微的誤差呢?。

這時候關于μ子g因子的背后可能蘊藏一種新發現的粒子或者第五種基本力的想法才漸漸形成。

現在的問題就集中到一點上，也就是說這些誤差到底是因為量子漲落導致的，還是存在一種未知的變量。

最早我們認為μ子的g值，也就是旋磁比為2，后來發現并不為2，這個差值由量子漲落承擔。所以只由量子漲落和其他可能因素引起的差值率應該是g值減去2，再除于2，這樣就得到一個新的因子，并由α表示。所以α代表的就是μ子g因子的理論和實驗之間的所有誤差率。

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

但是實驗測量的α值和理論依舊存在誤差。

關于這個誤差目前有兩種可能性，第一種就是由實驗缺陷引起的不確定性，也叫系統不確定性。

第二種就是由理論引發的不確定性，也叫理論不確定性。

如果g-2的誤差是系統不確定引發的，那就不斷提高實驗精度，最后實驗和理論就會符合。

當如果g-2的誤差是理論不確定性引發的，那就不斷提高理論預測的精度。

一邊不斷提高理論預測的精度，另一邊不斷提高實驗的精度，直到實驗和理論吻合為止。

如果理論和實驗的精度都達到極致，還存在誤差的話，就得考慮西格瑪值了。因為這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，美國費米國家實驗通過大量的實驗數據分析，公布了當時最新的測量數據，測量的g值為2.00233184122(±……82)，而與此對應的理論預測值為2.00233183620(±……86)。

這這組數字中，小數點個位數的2，是不考慮量子漲落的μ子g值。小數點后7位是納入量子漲落帶來的差異，而從小數點后八位開始就是實驗和理論不符的差異。

而此次理論和實驗的標準差為4.2西格瑪。

如果超過5西格瑪，可能就是全新的發現，所以我們還需不斷提高實驗精度和理論預測精度。

在實驗物理中，測量粒子的質量肯定存在誤差，只有大量重復的測量，才能獲得更多的數據，數據就越精確。

在測量粒子的物理量時，偏差值是1sigma意味著，測量三次數據，只有一次和理論預測不符，概率是33%。2sigma意味著測量22次數據，只有一次和理論預測不符，概率為4.5%，3sigma意味著測量370次數據，只有一次與理論預測不符，概率為0.27%。5sigma意味著測量1744278次數據，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準，任何超過5sigma的數據都被視為有可能的新發現。

2023年8月10日，美國費米實驗室舉行新聞發布會，宣布對2021年的μ子g-2值再次強化，實驗精度已經提高一倍

后續最新分析結果還得未來幾年公布，到時候一旦西格瑪值超過5，就會宣布這是一項全新的發現，可能是新粒子，也或許是新的作用力，更或許需要對標準模型進行修改。