二十多年来，缪子的反常磁矩一直是粒子物理标准模型中最有希望的裂缝。每一次对缪子磁摆动的测量似乎都比理论预言略大，差距稳定在约3.7个标准偏差，距离宣称一项发现所需的5σ阈值只有一步之遥，却又顽强到不容忽视。如果这一差异真实存在，就意味着有未知粒子贡献着标准模型无法解释的量子涨落。寻找这些粒子因此成为基础物理学中最重要的优先事项之一。
2021年4月，一个名为BMW的合作组在《自然》（Nature）上发表了一篇改变格局的论文。该团队使用格点量子色动力学（QCD），一种在超级计算机上从第一性原理模拟强核力的方法，以前所未有的精度计算了缪子磁矩的领头阶强子贡献。他们的结果为707.5 × 10^-10，总不确定度为5.5 × 10^-10。将这一数值与其他标准模型贡献合并后，它与实验测量相符，弥合了那道曾推动新物理搜寻的差距。
BMW的结果还带来了别的东西。它与计算同一物理量的另一种方法产生了分歧。这种方法称为R比值法或色散方法，依赖正负电子对撞机数十年的实验数据。由Davier、Keshavarzi以及Colangelo和Hoferichter的小组得出的R比值结果集中在约692至694 × 10^-10，不确定度为2.4至4.0。BMW的格点结果比这些R比值数值大2.0至2.5σ。
这种张力才是真正的故事所在。它不是理论与实验之间的冲突，而是理论内部两种认知方式之间的冲突。
BMW的计算由伍珀塔尔大学的Szabolcs Borsanyi和Kalman Szabo牵头，合作者来自布达佩斯厄特沃什大学和艾克斯-马赛大学，代表了格点QCD十年进展的顶峰。该方法将时空离散为四维格点，把夸克场放在格点上、胶子场放在格点之间的连线上，再数值求解量子色动力学方程。这项计算需要巨大的算力：该团队在空间范围约6飞米的格子上积累了超过20,000个组态，并基于狄拉克算子的最低本征模开发了精密的降噪技术，以达到所需的精度。
这一结果是格点方法学上的突破。团队纳入了量子电动力学效应，允许上夸克与下夸克具有不同质量，显式计算了所有同位旋对称性破缺贡献而非加以估计，开展了专门的有限尺寸研究，并采用味改进程序以减少连续极限外推中的格点伪影。0.8%的总相对精度较此前的格点计算是实质性进步。
R比值法的运作方式不同。它取正负电子湮灭为强子的实验测量截面，与由量子电动力学导出的核函数积分，直接提取强子真空极化贡献。这种方法概念上更简单，历经数十年不断完善，多个相互独立的实验为数据提供了交叉检验，包括美国加州SLAC的BABAR、意大利弗拉斯卡蒂的KLOE和北京的BESIII。R比值结果彼此高度相关，因为它们取自同一批实验测量，但这些测量本身是由不同实验室中采用不同技术的不同探测器完成的，出现系统性偏差的可能性不大。
BMW的论文本身也谨慎地承认了这一张力。作者指出，他们的格点结果与R比值数值之间的差异小于构成新现象证据的水平（3σ），更远小于构成一项发现的水平（5σ）。但他们还指出了一个更令人不安的具体比较：当把计算限制在一个名为a_mu_win的窗口观测量上时（该观测量探测更短的距离尺度，在格点上更容易可靠计算），张力升至3.7σ。而且在这个窗口内，独立的格点团队发表的结果彼此也有部分分歧，BMW的结果与Blum及其合作者的格点计算相差2.2σ，与Aubin及其合作者的计算仅相差0.2σ。
随之而来的问题不是新粒子是否存在，而是当标准模型自身的内部方法互相矛盾时，它作为预言框架是否仍值得信赖。格点计算说缪子的摆动与已知物理一致，R比值法则说并非如此，两者不可能同时正确。在两者之间做出选择，将决定粒子物理是继续通过缪子通道寻找新粒子，还是承认反常不过是计算不完备的产物。
自2021年以来，独立的格点团队陆续发表了各自的计算，大多数结果朝着BMW结果的方向靠拢，尽管一致程度各不相同。费米实验室的缪子g-2实验一直在继续采集数据，目标是使实验不确定度降低到原来的四分之一。新西伯利亚的VEPP-2000对撞机发表了π介子产生截面的新测量结果，使R比值预言上移、向格点结果靠拢，但这项测量本身又与更早的、久经检验的实验不一致，在实验传统内部制造了次级冲突。
缪子没有揭示新粒子。它揭示的或许是更令人不安的东西：物理学家用来理解世界的工具并不总是一致的，而要化解它们的分歧，需要的不是更好的实验，而是对每种方法究竟知道什么有更深入的理解。
参考文献
Borsanyi, Sz., Fodor, Z., Guenther, J. N., et al. Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD. Nature 593, 51-55 (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03418-1
Davier, M., Hoecker, A., Malaescu, B., & Zhang, Z. A new evaluation of the hadronic vacuum polarisation contributions to the muon anomalous magnetic moment and to alpha(mZ2). European Physical Journal C 80, 241 (2020). DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-7792-2
Keshavarzi, A., Nomura, D., & Teubner, T. g-2 of charged leptons, alpha(MZ2), and the hyperfine splitting of muonium. Physical Review D 101, 014029 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevD.101.014029
Muon g-2 Collaboration. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. Physical Review Letters 126, 141801 (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801
婷 翻译