费米实验室的μ介子存储环。图片来源：Reidar Hahn/Wikimedia Commons
磁矩是具有自旋的粒子的固有特性，由粒子与磁铁或其他具有磁场的物体之间的相互作用产生。像质量和电荷一样，磁矩是物理学的基本量级之一。
μ介子（与电子属于同一类的粒子）的磁矩理论值与在粒子加速器中进行的高能实验中获得的值之间存在差异。这种差异只出现在小数点后第八位，但自从1948年被发现以来，科学家们就一直对它很感兴趣。
这不是一个细节：它可以表明μ介子是否与暗物质粒子或其他希格斯玻色子相互作用，甚至表明该过程是否涉及未知力。
μ介子磁矩的理论值，由字母g表示，由英国物理学家和1933年诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克（Paulo Dirac，1902-1984）制定的狄拉克方程，他是量子力学和量子电动力学的创始人之一，为2。然而，实验表明 g 并不完全是 2，人们对理解“g-2”（即实验值与狄拉克方程预测值之间的差异）非常感兴趣。
2023 年 8 月，美国费米国家加速器实验室以令人印象深刻的精度获得并公布了目前可用的最佳实验值为 2.00116592059，不确定度范围为正负 0.000000000022。有关在费米实验室进行的μ子G-2实验的信息，请访问：muon-g-2.fnal.gov/。
“精确确定 μ 子磁矩已成为粒子物理学中的一个关键问题，因为对实验数据与理论预测之间的差距进行研究可以提供信息，从而发现一些引人注目的新效应”，圣保罗大学圣卡洛斯物理研究所 (IFSC-USP) 教授、物理学家迪奥戈·博伊托 (Diogo Boito) 告诉 Agência FAPESP。
Boito 和合作者在《物理评论快报》杂志上发表了关于该主题的文章。
“我们的研究结果在两次重要的国际活动上公布。首先是我在西班牙马德里的一次研讨会上公布的，后来是我在旧金山州立大学的同事 Maarten Golterman 在瑞士伯尔尼举行的一次会议上公布的，”博伊托说。
这些结果量化并指出了当前用于预测 muon g-2 的两种方法之间差异的根源。
“目前有两种方法可以确定 g-2 的基本成分。第一种方法基于实验数据，第二种方法基于量子色动力学（QCD）的计算机模拟，QCD 是研究夸克之间强相互作用的理论。这两种方法产生“结果截然不同，这是一个主要问题。在这个问题得到解决之前，我们无法研究可能的奇异粒子（例如新希格斯玻色子或暗物质）对 g-2 的贡献，”他解释道。
这项研究成功地解释了这种差异，但要理解它，我们需要退后几步，重新开始对 μ 子进行更详细的描述。
μ子是一种与电子一样属于轻子类的粒子，但具有更大的质量。因此，它不稳定，在高能环境中只能存活很短的时间。当 μ 子在磁场中相互作用时，它们会衰变并重组为其他粒子云，例如电子、正电子、W 和 Z 玻色子、希格斯玻色子和光子。
因此，在实验中，μ子总是伴随着许多其他虚粒子。他们的贡献使得实验中测得的实际磁矩大于狄拉克方程计算出的理论磁矩，等于2。
“为了获得差异 [g-2]，有必要考虑所有这些贡献 - 包括 QCD [粒子物理标准模型] 预测的贡献以及其他较小但出现在高精度实验测量中的贡献。我们知道几个这些贡献都很好，但不是全部，”博伊托说。
QCD强相互作用的影响不能单独从理论上计算，因为在某些能量状态下，它们是不切实际的，因此有两种可能性。其中一种已经使用了一段时间，需要借助从电子-正电子碰撞中获得的实验数据，电子-正电子碰撞会产生由夸克组成的其他粒子。另一种是晶格 QCD，它在最近十年才变得具有竞争力，并且需要在超级计算机中模拟理论过程。
“目前预测 μ 子 g-2 的主要问题是，使用电子-正电子碰撞数据获得的结果与总实验结果不一致，而基于晶格 QCD 的结果却一致。没有人知道为什么，而且我们的研究澄清了这个谜题的一部分，”博伊托说。
他和他的同事进行的研究正是为了解决这个问题。 “这篇文章报告了许多研究的结果，在这些研究中，我们开发了一种新方法，将晶格 QCD 模拟的结果与基于实验数据的结果进行比较。我们表明，可以从计算中计算的数据贡献中提取数据。非常精确的晶格——所谓的连通费曼图的贡献，”他说。
美国理论物理学家理查德·费曼（Richard Feynman，1918-1988）因在量子电动力学和基本粒子物理学方面的基础工作而与朱利安·施温格和朝永慎一郎一起获得 1965 年诺贝尔物理学奖。费曼图创建于 1948 年，是描述此类粒子相互作用的数学表达式的图形表示，用于简化相应的计算。
“在这项研究中，我们首次以极高的精度获得了连接费曼图在所谓的‘中间能量窗口’中的贡献。今天，我们通过晶格 QCD 模拟获得了这些贡献的八个结果，并且“所有这些都在很大程度上一致。此外，我们表明基于电子-正电子相互作用数据的结果与模拟的这八个结果并不相符，”博伊托说。
这使得研究人员能够找到问题的根源并思考可能的解决方案。 “很明显，如果二π介子通道的实验数据由于某种原因被低估，这可能是造成差异的原因，”他说。介子是介子——由高能碰撞中产生的夸克和反夸克组成的粒子。
事实上，来自俄罗斯新西伯利亚国立大学进行的CMD-3实验的新数据（仍在同行评审中）似乎表明，由于某种原因，最古老的二π介子通道数据可能被低估了。
更多信息：Genessa Benton 等人，数据驱动确定对 Muon g−2 的中间窗口贡献的光夸克连通分量，物理评论快报 (2023)。 DOI：10.1103/PhysRevLett.131.251803
期刊信息：物理评论快报
