一个 25 年的缪子谜题被解开了——然后物理学家在西伯利亚发现了另一个

目录

• 25 年，一个百万分之一的差异
• 缪子的奇怪摆动
• 两种计算方法，两种答案
• 格点 QCD：把时空切成豆腐块
• 西伯利亚的意外
• 新谜题，老数据

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25 年，一个百万分之一的差异

2001 年，纽约长岛的布鲁克海文国家实验室里，物理学家们盯着一个数字发呆。

他们让一种叫做缪子（muon）的粒子在磁场里旋转，测量它的摆动方式。结果和理论预测差了大约百万分之一——听起来很小，但在粒子物理的世界里，这种差异就像你在纽约测量了地球的周长，然后发现和教科书差了 40 米。

要么是测量错了，要么是理论错了，要么——最诱人的可能性——存在某种未知的粒子在暗中拉扯着缪子的摆动。

这个差异被称为「缪子 g-2 反常」，它成了一个持续 25 年的谜题。

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缪子的奇怪摆动

缪子是电子的「胖表哥」——质量大约是电子的 207 倍，不稳定，平均寿命只有 2.2 微秒。但它和电子一样，像一个微小的条形磁铁。

把它放进磁场里旋转，它就会像陀螺一样摆动。这种摆动的频率由一个叫做 g 因子的数字决定。如果缪子孤立存在，g 因子刚好等于 2。但量子理论告诉我们，缪子不是孤立的——它不断发射和吸收各种虚粒子，这些粒子存在的时间短到无法被探测器捕捉，但它们留下的痕迹就是：缪子多摆动了一点点。

「测量缪子的 g-2，就是测量宇宙里有多少种粒子存在的一种方式，」伦敦大学学院的 Alex Keshavarzi 说。

所以当布鲁克海文的实验在 2001 年发现缪子比预期多摆动了一点时，物理学家们兴奋了。那多出来的一点点摆动，可能意味着暗物质粒子？新的自然力？还是某种我们从未见过的东西？

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两种计算方法，两种答案

为了验证这个结果，物理学家们把布鲁克海文的 50 英尺磁环用驳船和卡车一路运到了伊利诺伊州的费米实验室。在那里，他们要用更精确的测量来确认那个差异。

但与此同时，理论物理学家们也在努力。他们需要算出缪子到底应该摆动多少——而这个问题比想象中复杂得多。

困难来自于强核力。四种基本力里，电磁力、弱核力、引力都能用标准技术处理，但强核力非常棘手。它把夸克紧紧束缚在一起，无法用常规的微扰理论计算。

于是物理学家们发展了两种方法：

第一种是数据驱动法：不去预测强核力怎么影响缪子，而是直接去测量。他们把电子和正电子撞在一起，看会产生多少夸克——夸克越多，对缪子的影响越大。

第二种是格点 QCD 法：把时空切成一个巨大的三维网格，像天气预报一样，在网格上模拟夸克的整体行为。

2018 年，Keshavarzi 用数据驱动法算出了预测值。2020 年，这个预测正式发表。2021 年 4 月，费米实验室公布了新的实验测量结果——差异非常显著，几乎达到了「发现新粒子」的统计学门槛。

但就在同一天，一个叫 BMW 的团队用格点 QCD 法给出了完全不同的答案：缪子的摆动完全正常，和已知粒子的已知物理完全一致。

两种方法，两个答案。物理学家们不知道该信谁。

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格点 QCD：把时空切成豆腐块

BMW 团队花了十年时间。

他们的方法叫格点 QCD，原理和天气预报类似：你不可能追踪每一丝风的精确轮廓，所以你把大气切成大块，计算每个块的平均变化。同样，物理学家不可能追踪每个夸克之间的强相互作用，所以他们把时空切成一个巨大的网格，在网格上模拟夸克的整体行为。

问题是，低能粒子散布范围大，需要巨大的网格；高能粒子需要精细的网格。要同时满足两者，需要的是计算能力的天文数字增长。

BMW 的 Kalman Szabo 说：「十年前，没人能想象格点能达到和实验相同的精度。」

但他们做到了。2021 年，他们的计算结果发表在《自然》杂志上。此后，多个独立的格点 QCD 团队都发表了匹配的计算结果。

今天，大多数物理学家相信：缪子 g-2 的谜题已经解开了。缪子额外的摆动，可以完全由已知粒子的已知物理来解释。

那数据驱动法为什么给出了不同的答案？

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西伯利亚的意外

答案可能在西伯利亚。

新西伯利亚市的 VEPP-2000 对撞机，是一个能量只有 CERN 大型强子对撞机六千分之一的小型设施。它把电子和正电子撞在一起，精确计数某种叫做 π 介子的夸克束出现的频率——这些数据正是数据驱动法的基础。

2010 年，物理学家们安装了一个全新的探测器。然后他们重新测量了 π 介子的产生率。

结果出乎所有人的意料。

「这是一个惊喜。没人预料到会是这样的，」利物浦大学的 Fedor Ignatov 说。

新的测量结果和这座对撞机过去的结果、以及意大利和美国的实验数据都出现了严重分歧。物理学家们反复检查了这个结果。「没有哪个测量被审查得这么仔细，」Keshavarzi 说。到目前为止，没有发现任何问题。

BMW 团队用格点 QCD 预测了 π 介子产生率，他们的结果和新的测量匹配。VEPP-2000 的另一个探测器也看到了同样的趋势。但加州的 BABAR 对撞机早在 2023 年的分析中，数据却和旧的产生率吻合。

这意味着什么？要么是未知粒子在暗中干扰着夸克的行为，要么是某些被忽略的细节造成了测量偏差——但四十年来的所有实验，用了不同的方法、不同的人、不同的设备，画出的都是同一幅图。现在这幅图被撕开了一个口子。

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新谜题，老数据

「有四十年的测量数据在前面，所有数据都是用不同的方式做的，由不同的人做的，用不同的实验做的，画的都是完全不同的图，」Keshavarzi 说。「还有太多的事情要做。」

所以现在的情况是这样的：物理学家们用格点 QCD 解决了缪子 g-2 的谜题，但在这个过程中，他们发现电子-正电子对撞中 π 介子的产生率出现了无法解释的分歧。旧的谜题解开了，但新的谜题出现了——而且这个新谜题可能指向未被发现的粒子，也可能只是某个实验设计中的细节漏洞。

无论是哪种，四十年积累的跨全球实验数据，现在需要重新审视。这就是粒子物理学的常态：你解决一个问题，然后发现它背后还有三个问题。你追着缪子跑了 25 年，最后发现自己站在西伯利亚的一个加速器面前，盯着一个数字发呆。

2001 年布鲁克海文的物理学家们盯着那个数字发呆的时候，他们想知道的是宇宙里有什么未知的东西。2026 年，物理学家们盯着西伯利亚的数字发呆，他们想知道的是同一件事。只是他们现在知道，答案可能不在新粒子中，而在旧数据里——那些被相信了四十年、被四十个不同实验交叉验证过的数据，可能从一开始就带着一个所有人都没注意到的偏差。