标准模型对μ子磁矩的预测是什么

高能物理界热切期待今年晚些时候费米实验室Muong-2实验的世界最佳测量结果的公布，而Muong-2理论计划正在努力使用新数据和新晶格来支持预测值计算。图片来源：ReidarHahn，费米实验室

预测μ子磁矩的数值是高能物理学中最具挑战性的计算之一。一些物理学家将其职业生涯的大部分时间都花在提高计算精度上。

为什么物理学家关心这种粒子的磁性?因为来自每个粒子和力的信息都被编码在μ子磁矩的数值中。如果我们能够超高精度地测量和预测这个数字，我们就可以测试基本粒子标准模型是否完整。

μ子与电子相同，只是它们的质量大约是电子的200倍，并且不稳定，并且会在短时间内分解成电子和中微子。在最简单的层面上，理论预测μ子的磁矩(通常用字母g表示)应该等于2。任何与2的偏差都可以归因于μ子与其他(已知和未知)粒子和力相互作用的量子贡献。因此，科学家们将重点放在预测和测量g-2上。

muong-2的几种测量结果已经存在。在美国能源部费米国家加速器实验室从事μ子g-2实验的科学家预计将在今年晚些时候公布迄今为止对μ子磁矩进行的最精确测量的结果。

与此同时，大量科学家正在致力于改进标准模型对μ介子g-2值的预测。该计算涉及与电磁力、弱核力和强核力相关的几个部分。

光子和电子等电磁粒子的贡献被认为是世界上最精确的计算。中微子、W和Z玻色子以及希格斯玻色子等弱相互作用粒子的贡献也是众所周知的。μ子g-2预测中最具挑战性的部分源于夸克和胶子等强相互作用粒子的贡献;控制它们贡献的方程非常复杂。

尽管夸克和胶子的贡献如此复杂，但原则上它们是可以计算的，并且已经开发了几种不同的方法。其中一种方法通过使用与强相互作用核力相关的实验数据来评估贡献。当电子和正电子碰撞时，它们会湮灭并产生由夸克和胶子(如π介子)组成的粒子。测量这些碰撞中产生π介子的频率正是预测μ子g-2强核贡献所需的数据。

几十年来，世界各地的正负电子对撞机实验测量了夸克和胶子的贡献，其中包括美国、意大利、俄罗斯、中国和日本的实验。所有这些实验的结果均由实验物理学家和理论物理学家合作编制，称为Muong-2理论计划。2020年，该小组公布了当时对μ子g-2的最佳标准模型预测。

十个月后，费米实验室的Muong-2合作项目公布了他们的首次测量结果。两者对比表明实验结果与标准模型预测存在较大差异。换句话说，测量结果与标准模型的比较提供了强有力的证据，证明标准模型并不完整，μ子可能与尚未发现的粒子或力相互作用。

第二种方法使用超级计算机通过称为晶格规范理论的数值方法来计算夸克和胶子相互作用的复杂方程。虽然这是一种经过充分测试的计算强力影响的方法，但计算能力直到最近才可用于以所需的精度执行μ子g-2的计算。因此，2021年之前发布的晶格计算不够精确，无法测试标准模型。然而，一组科学家在2021年发布的一项计算结果——布达佩斯-马赛-伍珀塔尔合作研究——却带来了巨大的惊喜。他们使用晶格规范理论的预测与使用电子-正电子数据的预测相去甚远。

在过去的几个月里，对μ子g-2强力贡献的预测情况变得更加复杂。SND和CMD3合作发布了新一轮的正负电子数据。这是在俄罗斯新西伯利亚的VEPP-2000正负电子对撞机上采集数据的两个实验。SND合作的结果与之前的正负电子数据一致，而CMD3合作的结果与之前的数据不一致。

到底是怎么回事?虽然没有简单的答案，但所有相关社区都在共同努力，以更好地量化标准模型的预测。晶格规范理论社区正在夜以继日地测试和审查BMW合作在独立晶格计算中的预测，并使用不同的方法提高精度。正负电子对撞机社区正在努力找出CMD3结果与之前所有测量结果之间存在差异的可能原因。更重要的是，社区正在使用更大的数据集重复这些实验测量。科学家们还引入了新的独立技术来了解强力的贡献，例如欧洲核子研究中心提出的一项名为MUonE的新实验。

这对于μ子g-2意味着什么?费米实验室Muong-2合作项目将于今年晚些时候发布基于2019年和2020年数据的下一个结果。由于新分析需要大量额外数据，Muong-2合作组织预计其结果将比第一个实验结果精确两倍。但目前预测值的不确定性使得很难使用新结果来强化我们之前的指示，即标准模型不完整，并且存在影响μ子g-2的新粒子和力。

下一步是什么?费米实验室Muong-2实验得出了今年春天采集的数据。分析整个数据集仍需要几年时间，实验预计在2025年发布最终结果。与此同时，Muong-2理论计划正在努力利用新数据来支撑预测值新的点阵计算也应该在2025年之前推出。这将是一场非常激动人心的对决。与此同时，高能物理学界热切期待今年晚些时候费米实验室Muong-2实验的世界最佳测量结果的公布。

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