反常磁矩里的反常

μ介子反常磁矩储存环的俯视图。μ介子在环中以将近光速顺时针运行大约500圈以后会产生衰变。μ介子反常磁矩实验将通过测量μ介子衰变的产物(电子)来获得μ介子的磁性。

2021年4月7日，一则科技新闻吸引了很多人的眼球：美国费米实验室的物理学家们完成了对一个名叫μ子的基本粒子的反常磁矩的新测量，以极高的精度确认了一种反常——一种已困扰物理学家们多年的，出现在μ子反常磁矩里的反常。

本文将介绍这种反常磁矩里的反常——先从μ子本身聊起。

尴尬的粒子

μ子是一个在很多时候、很多方面让物理学家们尴尬的粒子。

这尴尬首先出现在“身份”认定上。

1936年，当美国加州理工学院的物理学家卡尔·安德森和他的研究生赛斯·内德迈尔首次发现μ子时，物理学家们一度以为它是前一年（即1935年）由日本物理学家汤川秀树提出——或者说预言——过的，在质子和中子之间传递相互作用的粒子。但后续研究很快推翻了这一“身份”认定，因为μ子虽跟汤川秀树预言的粒子在质量上有些相近，却并不传递质子和中子之间的相互作用，从而不可能是那种粒子——事实上，后者如今称为π介子，于1947年才被发现。

那么μ子到底是一种什么粒子呢？人们逐渐发现，它在几乎所有方面都很像电子，只不过质量比电子质量大了两个数量级，仿佛是一个“大号”的电子。这种“大号”的电子对于在规律层面上追求简单性的物理学家来说，是又一种尴尬——一种物理性质方面的尴尬，因为它似乎展示了一种不必要的复杂性。20世纪40年代后期，当这种尴尬越来越凸显时，哥伦比亚大学的美国物理学家伊西多·拉比曾问过一个很著名——著名到后人谈μ子时几乎言必称之——的问题：“谁让它来的？”

是啊，既已有电子，大自然为何还要弄出个μ子来呢？

如今，距离μ子的发现已有大半个世纪，拉比的问题依然没有答案，μ子也依然让物理学家们尴尬。

甚至，两者都在一定程度上有所扩大：首先是，除μ子外，物理学家们于1975年又发现了一个更“大号”的电子。这个粒子被称为τ子，它也在几乎所有方面都很像电子，质量却比电子质量大了三个数量级——比μ子质量还大一个数量级。拉比的问题当然也可以针对τ子问上一遍。其次是，μ子在一个细节问题上带来了一种新的尴尬，让物理学家们迄今最好的基本粒子理论——所谓的标准模型——陷入了某种困境。

因为基于标准模型的理论计算与实验测量之间出现了偏差。

这个细节问题就是我们开篇提到——并且是本文所要介绍——的反常磁矩里的反常。

反常磁矩

为了介