?新物理的魅影？浅谈缪子g-2实验磁矩——旋转的带电陀螺自旋的故事量子效应与QED的胜利缪子是谁？缪子反常磁矩的测量“5个σ”的意义新物理还是其他？展望 _小知识

?2021 年 4 月 7 日上午，美国费米国家加速器实验室（Fermi National Accalorator Laboratory, FNAL）选择召开网络视频发布会，公布了缪子 g-2 实验组对于缪子反常磁矩的首个测量结果。一石激起千层浪，现有结果与粒子物理标准模型预言之间 4.2 倍标准差的偏离，不仅吸引了全球粒子物理学家的关注，也引来了媒体的目光。一时间，超出标准模型的新物理再次成为了大家讨论的话题。缪子是什么？“g-2” 是什么意思？这个实验结果到底告诉我们什么？我们希望这篇小文能对大家囫囵地了解这些问题有所帮助。
撰文 | 张昊
编辑 | 花明、静得
注：准备好一杯清茶，奶茶 or咖啡，此文虽长，但够科普，一文带你了解 g-2 实验的前世（磁矩、自旋，量子效应与 QED 及主人公缪子的恩怨纠缠）、今生（缪子的反常磁矩的测量，及实验上 “ 5 个 σ ”的意义）、来世（误会一场还是真有新物理）！
书归正传，让我们从头说起。这个实验测量了缪子的反常磁矩，那么磁矩是什么呢？
磁矩——旋转的带电陀螺人类对磁现象的认识，已经有数千年的历史。这大概要感谢自然界中的天然磁化物，比如大家常见的磁铁，俗称吸铁石。在我国，从两千多年前春秋时期就对磁石（当时记为“慈石”）有所记载，包括《管子》、《山海经》、《鬼谷子》在内的古文献都提到了这种特殊的“石头” 。《吕氏春秋》更是明确提出：“慈石召铁，或引之也。”同一时期的西方，正处于希腊古典文明的沐浴中。据记载，大约在公元前 600 年左右，来自米利都（Miletus）的古希腊哲学家泰勒斯（Thales，没错，就是那个用大金字塔影子的长度测算了塔高的泰勒斯）记录了一种被他称为 “Lodestone” 的矿石。在希腊时代，这种矿石主要分布在麦格尼西亚（Magnesia）。这个地名，日后成为了西方语言中“磁铁”（magnet）一词的词源。

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图1. 巴尔干半岛上磁铁洋文名称的词源地。
在现代自然科学诞生之前，人类虽然也在不断地积累对自然的认识，但是鲜有定量系统的处理方法。这种情况被杰出的英国物理学家伊萨克 · 牛顿所终结。伟大的牛爵爷，几乎凭借一己之力，改变了人们描述自然规律的手段。从他开始，人们用公式和数学总结和预言自然规律。对于磁现象的描述，也有了长足的进步。早期，安培（André-Marie Ampère）发现的以他的名字命名的定律，出人意料地将磁现象与电流联系起来，凭此在中学物理课本中占有一席之地。中学课本告诉我们，安培发现通电螺线管会产生一个与磁铁类似的磁场。

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图2. 铁屑展示出的一坨通电螺线管产生的磁场。
如果有一个带电的陀螺（注意，是带电的陀螺，不是电动陀螺），当它转起来的时候，由于它身上的电荷跟随它的自转在运动，那实际上就是一群环形电流。所以，一个匀角速度自转的陀螺，或者一个匀角速度自转的物体，会像一节磁铁一样，而这节“磁铁”的南北极，就沿着自转轴的方向。但是我们知道磁铁在外磁场中是受力的，它受力的大小取决于自身的磁性，也就是自己能产生磁场的大小。这样，人们就可以用一个像电荷一样的数记录转动的带电陀螺或者小球受到的磁力大小与外磁场（不是它自己产生的那个）大小的比值。这个数，反映的是陀螺或者小球自己的性质，叫做它的“磁矩”（magnetic moment），一般用拉丁字母 m 或者希腊字母μ表示。当然，转得越快，陀螺身上的那些电荷就跑的越快，等效的“环形电流”就越强，磁性也就越强。另一方面呢，陀螺原本带的电荷越多，同等转速下“环形电流”也就越大。所以很容易理解，带电自传体的磁矩与转速和电量成正比。在这里，物理学家们一般将物体的自转转速用它的自转角动量与质量的比值反映，因此
磁矩正比于电量×自转角动量÷质量
左右两边相差一个具体的比例系数，和这个“陀螺”的各种细节有关。费米国家实验室这次测量的，就是缪子的这个比例系数。
自旋的故事1925年8月，来自荷兰莱顿的青年物理学家乌伦贝克（George Eugène Uhlenbeck ）和古施密特（Samuel Abraham Goudsmit），对解决长久以来氢原子光谱精细结构中的一个疑难提出了建议，他们在一个简单的公式中通过猜测手动加了一个 1/2 。两位小伙子大概没有想到，这个人为参数 1/2 的背后，反映了量子物理和时空结构相结合的深刻结果。

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