布鲁克海文国家实验室杰尔德·平森 今天由μ介子g-2理论倡议发表的文章标志着全球理论物理界第一次聚集在一起发表μ介子磁矩的共识值
现在全世界都在等待费米实验室目前的μ介子g-2实验的结果，其磁存储环如图所示
信用:赖达·哈恩，费米实验室 几十年来，研究μ介子的科学家一直对μ介子在磁场中旋转的奇怪模式感到困惑，这让物理学家怀疑它是否可以用标准模型来解释——标准模型是物理学家理解宇宙的最佳工具
本周，一个由170多名物理学家组成的国际团队发表了迄今为止最可靠的关于μ介子反常磁力矩理论值的预测，这将解释它的特殊旋转或进动
亚原子粒子的磁矩通常用无量纲的兰德因子来表示，称为g
虽然许多国际组织已经分别进行了计算，但这份出版物标志着全球理论物理界首次共同发布了μ介子磁矩的共识值
这一结果与2004年在布鲁克海文国家实验室进行的最新实验测量不同，但不足以明确回答这个问题
现在全世界都在等待费米实验室当前μ介子g-2实验的结果
在接下来的几个月里，从事这项实验的物理学家将公布他们对该值的初步测量
根据标准模型理论计算与即将到来的实验测量的不同程度，物理学家可能离确定μ子的磁相互作用是否暗示着尚未被发现的粒子或力又近了一步
20世纪60年代末，在欧洲核子研究中心实验室，科学家们开始使用一个大的圆形磁环来测试描述μ子在磁场中移动时应该如何“摆动”的理论
从那以后，实验者继续量化这种摆动，对μ介子的反常磁矩进行越来越精确的测量
几十年的努力最终导致了布鲁克海文国家实验室的实验和费米实验室的后继者，以及在日本进行新实验的计划
与此同时，理论家们努力提高他们的计算精度，并微调他们的预测
今天发表的μ介子反常磁矩的理论值是: a =(g-2)/2(μ子，理论)= 116 591 810(43) x 10-12 迄今为止最精确的实验结果是: a =(g-2)/2(μ子，expmt) = 116 592 089(63) x 10-12 同样，实验测量值和预测值之间的微小差异仍然存在，而且也仅仅低于做出明确声明的阈值
这一理论值发表在arXiv上，是来自21个国家78个机构的130名物理学家三年多工作的结果
伊利诺伊大学的物理学家艾达·艾尔-卡拉说:“我们以前从未有过这样的理论工作，将所有不同的评估结合成一个单一的标准模型预测。”艾达·艾尔-卡拉是μg-2理论倡议指导委员会的联合主席，μg-2理论倡议是从事计算工作的科学家小组的名称
他们的工作建立在1928年发表的一个方程的基础上，该方程同时开启了量子电动力学领域，并为μg-2实验奠定了基础
优雅的理论 如果你问物理学家他们认为在他们的领域中最精确和最成功的方程是什么，很有可能有很多人会说这是狄拉克方程，它描述了电子的相对论量子理论
发表于1928年的狄拉克描述了电子的自旋运动，他的方程弥合了爱因斯坦相对论和量子力学理论之间的鸿沟，无意间只用一个方程就预言了反物质的存在
狄拉克还能够计算出一种叫做电子磁矩的东西，他称之为“一个意想不到的奖励”
" 标准模型理论:左边的图表显示了粒子和相互作用标准模型对反常磁矩值的贡献
大约99
994%来自电磁力的贡献，而强子贡献仅占0
006%(注意蓝色长条)
右图显示了理论预测中对总不确定性的贡献
大约99
理论预测总误差的95%是由于强子修正的不确定性，而在大约0
05%的总误差，电磁和电弱贡献的不确定性可忽略不计
(QED——量子电动力学力；电弱力；HVP-强子真空极化；HLbL–强子逐光)
图片:μ介子g-2理论倡议
学分:布鲁克海文国家实验室 电子可以被认为是围绕其轴旋转的微小旋转陀螺，这是一种使每个电子像微小磁铁一样工作的内在属性
当放置在磁场中时，比如粒子加速器中产生的磁场，电子会以一种特定的、可预测的模式进动——或者在它们的轴上摆动
这种摆动是粒子磁矩的作用，它不仅仅适用于电子
每一个带自旋的带电粒子(自旋以半个单位量化)都以同样的方式表现，包括称为μ子的粒子，它们与电子具有相同的性质，但质量是电子的200多倍
狄拉克方程没有考虑量子涨落的影响，预测g将等于2
实验表明，实际值不同于简单的期望——因此命名为“μ子g-2”
" 物理学家现在对这些量子涨落以及它们在亚原子尺度下的行为有了更好的理解，但是精确计算它们如何影响μ子的路径并不是一件容易的事情
“以现代实验所要求的精度水平计算这些量子波动的影响不是一个聪明的人能独自完成的，”埃尔-卡拉说
“这真的需要整个村庄
" 心灵的交汇 有这么多物理学家致力于世界范围内理论的最新发展，埃尔-卡拉和她在费米实验室的同事们知道促进群体间相互作用的最好方法是将他们聚集在一起
因此，从2016年开始，埃尔·卡拉和她在费米实验室理论小组的同事们，与布鲁克海文国家实验室科学家、理论倡议共同主席克里斯托弗·莱纳以及其他几名国际合作者一起，向致力于解决这个问题的全球物理学家团体的领导人伸出援手，提出了一项新的倡议，即μ介子g-2理论倡议
该倡议由一个九人指导委员会领导，包括理论和实验方面所有主要工作的领导人，在世界各地组织了一系列研讨会，包括在美国
S
，日本和德国，其中第一个于2017年在费米实验室举办
“我们进行了一些非常激烈的讨论，”埃尔-卡拉说，“这导致了更详细的比较和对各种方法利弊的更好理解
" μ介子g-2理论倡议的建立，是第一次将所有致力于研究μ介子反常磁矩标准模型值的各方聚集在一起的一致的国际努力
“在这项倡议开始之前，在标准模型价值的文献中有许多评价，每一个都与其他的略有不同，”波士顿大学科学家李·罗伯茨说，他是费米实验室实验的共同创始人和倡议指导委员会的成员
“值得注意的是，这个世界范围的团体能够走到一起，就μ介子磁矩的每一项贡献的‘最佳’价值达成一致
" 量子计算 “μ子和其他自旋粒子在宇宙中从来都不是孤立的，”费米实验室的科学家克里斯·波利说，他是μ子g-2的代言人之一，他和曼彻斯特大学的物理学家马克·兰卡斯特一起
“它们与一大群不断进出的粒子相互作用
" 不确定性的两个主要来源是强子真空极化和逐光散射——在这两种情况下，μ子在穿过夸克和胶子的气泡后发射并重新吸收光子
这两个因素加起来小于0
01%对μ介子摆动的影响仍然是理论计算中不确定性的主要来源
事实证明，计算强子贡献的逐光散射部分特别困难，在μ介子g-2理论倡议开始之前，物理学家还没有对其影响做出可靠的估计
他们能做的最好的事情就是粗略的近似，这让一些人怀疑这些对光散射的评估是否是μ介子计算出的反常磁矩和实验测量值之间差异的来源
但是理论家现在相信他们可以消除这些疑虑
由于近年来理论界的巨大努力，现在不仅有一个，而且有两个独立的评估可用，每个评估都有可靠的估计不确定性，这些不确定性包含在上面列出的标准模型预测的总误差中
布鲁克海文国家实验室物理学家克里斯托弗·莱纳(Christoph Lehner)说:“我们现在已经量化了逐光散射的贡献，如果实验值与理论预测有很大差异，它就不能再用来解释标准模型了。”
面对如此多的危险，艾尔-卡拉和理论倡议的其他成员没有留下任何机会
“我们强烈强调了在我们构建标准模型预测μ介子反常磁矩的过程中，包括基于几种不同方法的评估的重要性，”埃尔-卡拉说
“因为如果我们发现费米实验室实验的测量结果与标准模型不一致，我们想确定
"
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