反常磁矩里的反常

μ介子反常磁矩儲存環的俯視圖。μ介子在環中以將近光速順時針運行大約500圈以后會產生衰變。μ介子反常磁矩實驗將通過測量μ介子衰變的產物(電子)來獲得μ介子的磁性。

2021年4月7日，一則科技新聞吸引了很多人的眼球：美國費米實驗室的物理學家們完成了對一個名叫μ子的基本粒子的反常磁矩的新測量，以極高的精度確認了一種反?！环N已困擾物理學家們多年的，出現在μ子反常磁矩里的反常。

本文將介紹這種反常磁矩里的反?！葟摩套颖旧砹钠?。

尷尬的粒子

μ子是一個在很多時候、很多方面讓物理學家們尷尬的粒子。

這尷尬首先出現在“身份”認定上。

1936年，當美國加州理工學院的物理學家卡爾·安德森和他的研究生賽斯·內德邁爾首次發現μ子時，物理學家們一度以為它是前一年（即1935年）由日本物理學家湯川秀樹提出——或者說預言——過的，在質子和中子之間傳遞相互作用的粒子。但后續研究很快推翻了這一“身份”認定，因為μ子雖跟湯川秀樹預言的粒子在質量上有些相近，卻并不傳遞質子和中子之間的相互作用，從而不可能是那種粒子——事實上，后者如今稱為π介子，于1947年才被發現。

那么μ子到底是一種什么粒子呢？人們逐漸發現，它在幾乎所有方面都很像電子，只不過質量比電子質量大了兩個數量級，仿佛是一個“大號”的電子。這種“大號”的電子對于在規律層面上追求簡單性的物理學家來說，是又一種尷尬——一種物理性質方面的尷尬，因為它似乎展示了一種不必要的復雜性。20世紀40年代后期，當這種尷尬越來越凸顯時，哥倫比亞大學的美國物理學家伊西多·拉比曾問過一個很著名——著名到后人談μ子時幾乎言必稱之——的問題：“誰讓它來的？”

是啊，既已有電子，大自然為何還要弄出個μ子來呢？

如今，距離μ子的發現已有大半個世紀，拉比的問題依然沒有答案，μ子也依然讓物理學家們尷尬。

甚至，兩者都在一定程度上有所擴大：首先是，除μ子外，物理學家們于1975年又發現了一個更“大號”的電子。這個粒子被稱為τ子，它也在幾乎所有方面都很像電子，質量卻比電子質量大了三個數量級——比μ子質量還大一個數量級。拉比的問題當然也可以針對τ子問上一遍。其次是，μ子在一個細節問題上帶來了一種新的尷尬，讓物理學家們迄今最好的基本粒子理論——所謂的標準模型——陷入了某種困境。

因為基于標準模型的理論計算與實驗測量之間出現了偏差。

這個細節問題就是我們開篇提到——并且是本文所要介紹——的反常磁矩里的反常。

反常磁矩

為了介