机器之心报道
机器之心编辑部
人类智慧和宇宙真理之间，就差那0.1%？这可能意味着一种全新的粒子，甚至一种未知的力。
美国费米加速器实验室（FNAL）Muong-2小组4月7日发表了一份万众期待的公告，巩固了自然与理论之间的巨大冲突。
一项持续二十年的物理学研究终于要呈现结果了，它可能揭示出新粒子的存在，并颠覆现今的基础物理学。
比原子还小的粒子，我们称之为亚原子。在过去的半个世纪，人们对亚原子世界的了解并没有取得突破性进展。上世纪六七十年代发展起来的理论如今已经被合并为「粒子物理学的标准模型」。虽然有一些无法解释的现象（如暗物质、暗能量），但科学家已经将标准模型的预测与测量结果进行了测试，有些理论也已经成功地通过了测试。
但是，总有些领域存在例外。比如，一种被称为μ子（moun）的亚原子粒子磁性能数据和理论之间一直存在分歧。为了确定这一差异是否真的存在，科学家们已经等了20多年。
现在，费米加速器实验室的一项实验正在给这一漫长的等待慢慢画上句点。
μ子是持续时间短暂的亚原子粒子，就像人们更熟悉的电子一样，μ子也带有电荷并自旋。μ子的质量要比表亲电子大倍，当宇宙射线撞击地球的大气层时，自然会产生μ子。此外，它们也会在百万分之一秒内衰变，这让人们难以对其进行研究。
无论是在微观还是宏观层面，既带电又自旋的物体就是「磁铁」，μ子也不例外。物理学家将这种物质组成的磁体带有的磁性称为「磁矩」。人们可以使用年代提出的传统量子力学理论来预测电子和μ子的磁矩。但是，当实验物理学家们在年完成对电子磁矩的首次测量时，它比理论值高了0.1％。
这种微小差异的成因可追溯到某些真正未知且神秘的量子行为——在物理世界极小的尺度范围内，空间不是静止的，取而代之的是无尽的混乱。在这里，眨眼之间就会出现成对的粒子和反物质粒子，这些粒子对借取能量而生成，又在短时间内湮灭归还能量。
人类无法直接观察这种疯狂的物体的出现和消失。但如果你接受了这种理论，并计算出它对μ子和电子的磁矩的影响，你就可以发现，它和那微小的0.1%误差完全吻合。这一计算结果在年首次被人们发现。
在往后的70年里，科学家们不断预测并测量了μ子和电子的磁矩，其精确度达到了惊人的小数点前后十二位数。
人们发现，测量和预测的结果几乎一致：前十位数字为同样的数字。但是，理论和实践对于最后的两位数出现了分歧。这样的误差，大于预测和测量之间不确定性所产生的分歧，两者之间总有一个有问题。
我们知道，物理学是一门自然科学，它的目的是要寻求对自然现象逻辑上简单的描述。如果数据和理论不一致，显然其中一个或两者均是错误的。人类的测量可能有错，计算也可能有错，或者计算未包含所有的相关影响。如果最后一个选项是对的——存在被忽略的影响因素——则意味着我们物理学的标准模型是不完整的。
这就意味着，现实的物理世界中存在一些新的、意想不到的东西。
在过去的20年里，对μ子磁矩的最佳测量实验是由纽约长岛布鲁克海文国家实验室的Muong-2实验进行的。「g-2」是历史名词，专指比标准量子力学的预测高出0.1％的量——标准量子力学预测，电子或μ子的磁矩为「g」。
那次理论与实测之间的差异很大，如果用这个差异除以实验和理论不确定性的组合，则结果为3.7。
科学家们将该比率称为「sigma」，并使用sigma来评估测量的重要性。如果sigma小于3，科学家会认为这并不有趣。如果sigma在3到5之间，则科学家们会开始变得感兴趣，并将这种状况称为「某项发现的证据」。如果sigma大于5，则科学家有信心认为该差异是真实且有意义的。对于5以上的sigma，科学家通常将其论文命名为「对……的观察」。5sigma就是重大发现了。
因此，在布鲁克海文Muong-2实验中报告的3.7sigma结果虽然很重要，但说服力仍然不足。人们需要一个新的测量来给出进一步的支撑。
然而，布鲁克海文的加速器设施已经尽其所能了。要想做得更好，还需要更强大的μ子来源。接力棒传到了位于芝加哥以西的美国旗舰粒子物理实验室：费米实验室（Fermilab）手上。
因此，研究者将g-2仪器捆绑在一起，并将其送到费米实验室。g-2装置的形状像一个盘子，宽度为50英尺，厚度为6英尺，走陆运并不容易。因此，他们将设备放在了货船上。该货船沿着美国东海岸、密西西比河及其部分支流，一直行驶到伊利诺伊州东北部费米实验室附近的一个港口。然后，他们将设备放在平板卡车上，并在深夜将其开到费米实验室。年7月26日，g-2实验相关工作在费米实验室展开。
科学家们接下来的工作包括建造建筑物、加速器和基础设施，以进行进一步的测量。年春，科学家们开始获取数据。之后的每一年，科学家们都要花费数月时间进行实验并收集数据。每年进行的实验被称为一次run，费米实验室Muong-2实验预计将运行5次run，包括未来的几次。
费米实验室可以产生比布鲁克海文更多的μ子——在实验运行的第一年（年），费米Muong-2实验收集的数据便超过了所有先前的μ子实验的总和。第一轮run收集并分析了超过80亿个μ子。
费米实验室的加速器核心是直径为50英尺的超导磁存储环。这个令人印象深刻的实验在-.78℃下运行。
这项研究中的测量非常精确，精度达到12位数。这就如同在测量地球赤道长度时精确到比一张打印纸厚度还要小的程度。
费米实验室使用g-2设备的最新测量结果证实了布鲁克海文早期的测量是正确的。当把两个实验室的数据结合起来时，数据与理论之间的差异目前是4.2sigma，非常接近「对……的观察」标准，但还远远不够。
另一方面，最新的测量报告是基于一次run得出的。由于对加速器和设施进行了改进，研究者希望此次记录的数据量能达到此前的16倍。如果利用全部数据得到的测量结果与本次报告的测量结果一致，并且测量结果的精度如预期一样提高，那么g-2实验很有可能最终证明「标准模型」并不是完整的理论。虽然目前得出这一结论还为之过早，但现在看来很有可能。
费米实验室表示，新的4.2sigma结果出现统计波动的几率约为1/40,。
这意味着什么？如果未来的测量结果相同，那么「标准模型」就需要被修改。
这次物理世界的新发现，在还没正式发布之前就已经吸引了Nature等期刊的