物質是由不可分割的粒子或「原子」構成的，這一觀點可以追溯到兩千多年前。然而，已知的第一個基本粒子——電子，直到1897年才被發現。20世紀早期積累的實驗證據表明，原子本身是由原子核，以及繞著原子核旋轉的電子構成的。
到了上個世紀50年代和60年代，人們對操縱原子核的興趣不斷增加，與此同時，也開始展開將高能粒子束碰撞在一起的粒子物理實驗。從碰撞的碎片中，物理學家推測出了61種基本粒子的存在，構成了今天熟知的粒子物理學的標準模型。
近年來，標準模型中的μ子吸引了大量的關注。μ子與電子都屬於輕子，其質量大約是電子的200倍。μ子很不穩定，能夠在很短的時間內就衰變成電子和中微子。預測μ子的磁矩大小，一直是高能物理學中最具挑戰性的計算之一。
能夠進一步提高µ子磁矩的計算精度，是許多物理學家為之奮鬥的目標。µ子的磁矩之所以重要，是因為每個粒子和每種基本力的資訊，都被編碼在μ子磁矩的數值中。如果能夠以超高的精度預測並測量µ子的磁矩，就能夠測試標準模型是否完備。
g-2的計算
簡單來說，理論預測的μ子的磁矩（通常用g表示）應該等於2。如果這個值不等於2，就意味著μ子與其他已知或未知的粒子和力發生了相互作用。因此，許多科學家都在專注於預測和測量g-2。
在g-2的理論預測計算中，有幾個部分與電磁力、弱力和強力有關。與光子和電子等電磁粒子有關的部分被認為是世界上最精確的計算；與弱相互作用粒子，如中微子、W和Z玻色子以及希格斯玻色子有關的部分，也得到了很好的描述；最具挑戰的部分源自於與夸克和膠子等強相互作用粒子有關的部分，描述它們的作用的方程式非常複雜。
儘管異常複雜，但在理論上，這部分影響仍是可計算的，並且物理學家已經發展了幾種不同的方法來對其進行計算。
一種方法是通過使用與強力有關的實驗資料來評估這部分計算。當電子和正電子碰撞時，它們會湮滅併產生由夸克和膠子構成的粒子，如π介子。π介子在這些碰撞中的產生頻率，正是預測強力對μ子g-2的影響所必需的資料。
幾十年來，在美國、中國、義大利、俄羅斯、日本進行的電子-正電子對撞實驗，都對夸克和膠子的影響進行了測量。所有的這些實驗結果都由一個被稱為「µ子g-2理論組織」的合作組彙編，這個合作組是由實驗物理學家和理論物理學家組成的。
2020年，該合作組宣佈了當時對μ子g-2做出的最佳標準模型預測。10個月後，美國費米國立加速器實驗室的μ子g-2實驗組的研究人員公佈了他們第一次測量的結果。兩者的比較表明，實驗結果與標準模型預測存在較大差異。這意味著，標準模型是不完備的，μ子可能與尚且未知的粒子或力發生了相互作用。
另一種方法是使用超級計算機，對夸克和膠子相互作用的複雜方程進行計算。這是一種被稱為格點規範理論的數值方法。雖然這種方法已經經過了良好驗證，但事實上，直到最近才獲得了能夠以所需精度計算μ子g-2的計算能力。
因此，在2021年之前發佈的格點計算結果，其精度並不足以測試標準模型。然而，值得一提的是，在一篇於2021年4月發表在《自然》雜誌的論文中，一組研究人員使用格點規範理論做出的預測結果，與使用電子-正電子資料得到的結果相差甚遠。
新的最佳測量結果
在過去的幾個月裡，強力對μ子g-2的影響的計算結果變得更加複雜了。新一輪的電子-正電子資料來自SND合作組和CMD3合作組，這是在俄羅斯新西伯利亞的VEPP-2000電子-正電子對撞機上進行的兩個實驗。SND合作組的結果與之前的電子-正電子資料一致，而CMD3合作組的結果與之前的資料卻不一致。
出了什麼問題？物理學家無法給出簡單的答案，但為了能夠更好地量化標準模型的預測，所有的相關團隊都在共同努力。
最新的訊息是，費米實驗室進行μ子g-2實驗的科學家，計劃於8月10日正式公佈對μ子磁矩進行的最精確測量結果。這一最新結果是基於2019年和2020年收集到的資料所得到的。由於新的分析涉及到大量的額外資料，μ子g-2合作組預期新的結果會比他們的第一次實驗結果精確兩倍。
此外，費米實驗室的μ子g-2實驗還在今年春天完成了資料採集。分析這些所有的資料還需要幾年的時間，研究人員預計將能夠在2025年公佈最終結果。這將是一場萬眾矚目的盛事。與此同時，高能物理界正熱切期待著費米實驗室μ子g-2實驗即將發佈的最新的最佳測量結果。
#創作團隊：
編譯：小雨
設計：雯雯
#參考來源：
What does the Standard Model predict for the magnetic moment of the muon?
#圖片來源：
封面圖&首圖：Reidar Hahn, Fermilab