第242話：新的物理學要出現了嗎？（Muon g-2實驗結果發佈）

科學中的王者，人類科技文明的基石「物理學」，又出現裂縫了嗎？

從昨天開始，物理的社群裡面一陣騷動，一則關於「Muon g-2」的新聞一直洗版。因為昨天（2021/04/07）美國費米國家加速器實驗室（Fermi National Acceleration Laboratory）發佈了新聞，從對「渺子」（m粒子，唸做 muon）這種基本粒子的磁性測定，與「幾乎已經一統江湖的物理理論：標準模型」，有顯著的誤差。

標準模型統合了強交互作用、弱交互作用、電磁交互作用、量子力學、電磁學與狹義相對論成一個理論，就差「廣義相對論」（重力還沒納入），基本上對於重力以外的三種基本交互作用有關的現象來說，都可以解釋得很好。這次的實驗結果表示有兩種可能：

1. 有未知的新基本粒子

2. 有未知的新交互作用

不管是哪一邊，都可能對「我們對宇宙的認識」產生很大的影響。

這個實驗量的是一個叫做「g-factor」的物理量，這是什麼碗糕呢？我們都有學過「電流的磁效應」：用導線繞成一個線圈，通上電流後，會產生磁場，線圈的行為會跟一個磁鐵一樣，也就是我們所熟知的「電磁鐵」。線圈裡面的電流是什麼呢？其實是電子這種帶電粒子在跑，所以我們如果把其他東西拿掉，放個電子在那邊繞圈圈，其實也會有電流以及所衍生的磁場。電子繞圈圈時，會有個「軌道角動量」，質量越大、繞的速度越快，角動量就會越大，所以我們也可以說，「帶電粒子的軌道角動量會產生磁場」，而且兩者成正比。

再來，如果有一顆球，裡面有帶電荷，然後這顆球在自轉，由於球身上的電荷也會跟著轉，就又有環形電流產生，於是也會讓這顆球帶有磁性，變成像磁鐵一樣。球自轉時也會有角動量，稱為「自旋角動量」，所以我們可以說「帶電的球自轉時的自旋角動量，會讓這顆球產生磁性」，兩者也是成正比。

接著，量子力學來了，有些基本粒子不知道為什麼，都帶有「自旋角動量」，這其實很奇怪，因為基本粒子是點粒子，一個點是沒辦法用上一段「一顆球在自轉，所以身上帶的電荷就會有環形電流」來理解，因為一個點就算有在轉，也不會變成一個環…不過總之，從一堆實驗結果顯示，基本粒子就是帶有自旋角動量以及隨之而來的磁性，我們也拿它們沒輒。

這個 g-factor，就是在描述基本粒子自旋角動量與磁性大小之間的關係，而且每個粒子的 g-factor 有點不太一樣（這理論超複雜的就不說了），測量的方式是量它的「異常磁矩」（anomalous magnetic moment，這也超複雜的所以也不說了），對於渺子來說，標準模型的理論值是：

2.00233183620(86)

而這次費米實驗室所得到的實驗值是

2.00233184122(82)

你可能會說：「靠北這不是超級接近，根本沒差嘛！」確實，前面八個數字，從整數到小數點以下第七位都一模一樣，真的是超級接近。不過重點是最後面的括號，代表數值的誤差範圍，兩個都是兩位數，表示誤差發生在最後兩位數，不準度的大小就是括號裡面的數字，也就是說理論值是在2.00233183534 到 2.00233183706 之間，而實驗值是在2.00233184040 到 2.00233184204 之間。

兩者沒有交集！

事實上差距是 4.2 個標準差，「理論其實與實驗相符，數值的差異來自各種統計誤差」這個解釋發生的機率是 40,000 分之一。也就是說，統計上賭「標準模型有問題」的勝率是 39,999/40,000。

這不是第一次得到這個結果，早在 20 年前另一個布魯克海文國家實驗室就做出類似的數值，不過想要說「標準模型有問題」，需要更多的數據，這次費米實驗室其實是從3200英里外的布魯克海文把一個直徑15公尺的環形超導磁鐵搬過去重新組合、校正後，再度進行了這個實驗，確認與20年前的實驗吻合。

從這個數據，大家也可以看到物理學實驗的精確度實在是非常驚人，而新的物理學，是否就藏在這個微小的細節差異中呢？

答案是不一定。在費米實驗室發表這個重大結果的同一天，匈牙利布達佩斯的Eötvös 大學、法國馬賽的 Aix Marseille 大學以及德國的 Wuppertal 大學組成的理論團隊（暱稱為「BMW」團）在「Nature」上面發表了以超級電腦模擬所得的新的計算結果，g-factor是 2.00233183908，與過去的理論值不同，但是就跟布魯克海文以及費米實驗室所得的實驗值在誤差範圍內了，也就是大家都還跳不出標準模型的手掌心！

給已經頭昏腦脹的讀者的貼心小總結：渺子的 g-factor 先有從標準模型算出來的理論值，然後布魯克海文實驗室的實驗值與這個理論值不合，費米實驗室剛出爐的實驗值站在布魯克海文這邊，意味著標準模型可能有問題，然後「BMW團」殺出一個新的理論值，跟實驗值是吻合的，也就是過去的理論值可能算得不夠準。

到底最後的答案是什麼呢？物理學課本會被改寫嗎？看樣子還得再等等！

費米實驗室新聞稿（2021/04/07）：https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/