几十年来，物理学家们一直盯着一个叫做μ子的微小亚原子粒子，兴奋地窃窃私语，谈论着潜在的第五种自然力。现在，由宾夕法尼亚州立大学物理学家领导的一个国际研究团队给整个事件泼了一盆冷水。他们的研究结果发表在《自然》杂志上，表明长期观察到的μ子磁行为差异根本不是新物理学的迹象——它只是一个数学问题。
这个谜团围绕着μ子，一种短寿命粒子，基本上是电子的“大表哥”，重量大约是电子的200倍。60多年来，对μ子磁矩（它像小磁铁一样作用的强度）的测量似乎与标准模型（所有已知基本粒子和力的规则手册）的预测不一致。这种不匹配让每个人都希望发现未被发现的粒子，甚至是一种超越通常四种力的迷人的新“第五种力”。
“在过去60年左右的时间里，有许多计算，随着它们变得越来越精确，都指向一个差异和一个会颠覆已知物理定律的新相互作用，”宾夕法尼亚州立大学物理学杰出教授、该研究的主要作者Zoltan Fodor说。“我们应用了一种新方法来计算这个差异量，并表明它并不存在。我们希望的这个新相互作用根本不存在。旧的相互作用完全可以解释这个值。”
该团队花了十多年时间完善他们的计算，最终使理论预测和实验测量结果在不到半个标准差内达成一致。该结果将标准模型精确到小数点后11位，并显著缩小了未知物理学隐藏在这个特定测量中的可能性。
“人们问我做出这个发现感觉如何，老实说，我感到有些悲伤，”Fodor承认。“当我们开始计算这个量时，我们以为我们会得到一个关于新第五种力的良好且可信的计算。相反，我们发现没有第五种力。我们确实找到了一个非常精确的证明，不仅证明了标准模型，还证明了量子场论，这是标准模型建立的基础。”
这项研究聚焦于μ子的反常磁矩，即g−2，这是与预期值2的微小偏差。由于μ子比电子重，它们对短暂的量子效应（在真空中忽隐忽现的粒子）异常敏感。20世纪60年代和70年代在欧洲核子研究中心（CERN）的实验，后来在布鲁克海文国家实验室，以及最近在费米国家加速器实验室，都以惊人的精度测量了这一点，并因此获得了基础物理学突破奖。但这些数字从未与理论完全匹配——直到现在。
主要难题来自强相互作用力，四种已知力中最强大的力，它将夸克束缚在质子和中子内部。与引力或电磁力不同，强相互作用力随着粒子远离而变强——就像一根橡皮筋，你拉得越紧，它就越紧。为了准确预测μ子的行为，该团队使用了格点量子色动力学，这是一种在超级计算机上通过将空间和时间划分为极细网格来模拟强相互作用力的计算技术。
“旧的方法涉及收集数千个实验结果并重新解释它们，以得到单个数字，即μ子的磁矩，”Fodor说。“我们的方法完全不同。我们将时空划分为非常小的单元格，一个格子，然后我们在该格子上求解标准模型的方程。”
在过去的十年中，该团队将短距离和中距离的格点计算与高度可靠的实验测量相结合，用于更大距离，使用比以前研究更细的网格来减少不确定性。最终的计算代表了迄今为止对μ子磁矩最精确的确定。