粒子物理学领域出现了一位新星，尽管有些出人意料：μ子，有时也被称为“胖电子”。这是该亚原子世界中不起眼的居民第二次似乎违背了已知的自然法则。对一些专家来说，这表明它可能揭示了全新的规则。
在位于伊利诺伊州的费米国家加速器实验室（Fermilab）的一项实验表明，μ子的磁性远超预期后，全球的物理学家都将目光投向了μ子。该实验的结果于 4 月由 Muon g-2 合作组（发音为“g minus two”）公布，与目前最顶尖的粒子物理学理论的预测相悖。这留下了三种可能性：理论本身是错误的，实验存在缺陷，或者，更令人着迷的是，这可能意味着我们即将发现对宇宙秩序至关重要但尚未被探测到的新形式物质和能量。
许多科学家倾向于接受后一种解释。如果他们是正确的，这将是对粒子物理学标准模型提出的第一个可信的挑战。标准模型在过去半个世纪里一直是描述宇宙基本构件及其相互作用的最佳理论。它在任何地方都做出了预测，并且一直被证实——直到现在。
费米实验室理论物理学主管 Marcela Carena 认为，这些结果可能比 2012 年发现赋予其他粒子质量的希格斯玻色子（Higgs boson）这一里程碑式的发现更为重要。“这可能真的会动摇我们目前对粒子物理学所有认知的看法，”她说。“这是一个巨大的发现，而且是我们未曾预料到的重大发现。”
一个神奇的、磁性的时刻
2001 年，纽约布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）进行的类似实验发现了异常情况，这首次提出了μ子行为异常的可能性：当μ子在直径 50 英尺的加速器磁场中穿梭时，其行为出乎意料。用技术术语来说，它的“磁矩”——一种基本上导致μ子像条形磁铁一样自旋或摆动的特性——异常地大。它的摆动幅度超出了任何人的预料。
磁矩受到不断出现又消失的各种虚粒子的影响。另一位费米实验室的物理学家 Chris Polly 在一篇博文中解释说，没有粒子是真正孤立的。即使在真空中，它也围绕着一群虚粒子，每个虚粒子都部分决定了它的行为。对μ子磁矩（称为“g-2”，这也是合作组名称的由来）的计算，都 painstakingly 地考虑了这些外部影响。
然而，测量值和预测值之间仍然存在显著差异。如果已知的虚粒子无法充分解释这个差距——假设测量是准确的——研究人员就推断，必须有一些其他未识别的粒子填补了这个差额。
波士顿大学物理学家 Lee Roberts 参与了布鲁克海文和费米实验室的实验。他称二十年前的发现“是个大事件”，“因为每个人都在拼命寻找标准模型之外的物理学。”在该项目失去资金后，那个数据点孤立且异常地存在了二十年。现在，Roberts 说：“我们证实了布鲁克海文的实验。这两个结果完全一致。”
标准模型之外
尽管这可能令人兴奋，但新实验提出的谜团却没有任何线索。“我们知道肯定有什么新的东西存在，”Carena 说，“但我们不知道那是什么。”理论家们提出了各种各样的解释，但没有一种特别突出。
Carena 更倾向于超对称理论，这是标准模型的一个流行扩展。它认为，每个已知粒子都有一个未被发现的“伙伴”。这些隐蔽的伙伴可能是导致μ子磁矩的虚粒子，也是被认为占宇宙约 27% 的暗物质的组成部分——一举解决了两个未解之谜。
然而，她承认这只是“一厢情愿”：“我认为，如果这个实验能为宇宙中的其他事物提供一些线索，那将更加优雅，但大自然可能并非如此运作。”其他假想粒子——主要是轻子夸克和 Z' 玻色子——同样可以填补这个空白，而无需进一步拓展我们对现实的理解。但如果它们确实存在，大型强子对撞机最终应该会探测到它们。
这个问题非常复杂，部分原因是科学家们不知道从何处寻找答案。费米实验室的实验只提供了间接证据，通过μ子暗示了新的物理定律。总而言之，它并没有明确地指明任何特定的嫌疑对象。“为了区分哪个是正确的，”Carena 说，“我们必须看向别处。”
等待澄清
至于μ子为何会“不听话”，现在下任何确切结论都为时过早。甚至可能，现在就断言它们“不听话”也为时过早。到目前为止，Muon g-2 成员只公布了大约 5% 的数据。考虑到他们对第一批数据进行的严谨分析，Roberts 乐观地认为，随着未来几年数据的陆续发布，其余数据将强化同样的结论。但就目前而言，有限的证据尚不足以更新标准模型。
一些物理学家对于彻底改革这个可能是最成功的科学理论持谨慎态度。在同一天发表于《自然》（Nature）杂志上的另一项研究中，宾夕法尼亚州立大学的 Zoltan Fodor 和他的同事重新计算了 g-2，以检查过去二十年理论工作中的错误。他们的计算得出了一个与物理学家普遍认同的理论值不同的新理论值，但与布鲁克海文和费米实验室的实验结果相符。
这表明标准模型可能仍然符合实验。“虽然发现新物理学的迹象可能令人兴奋，”Fodor 写道，“但我们的新理论似乎表明，这一次，标准模型依然有效。”
和任何科学发现一样，时间与进一步的研究将给出答案。就目前而言，有一点是肯定的：标准模型仍然是不完整的。它没有涉及暗物质和暗能量，也没有解释为什么我们的宇宙由物质而非反物质构成。但物理学家们可能最近偶然发现了线索，而对许多人来说，这本身就值得庆祝。“找到标准模型之外的东西，可以说是所有粒子物理学的目标，”Roberts 说。“存在着所有这些非常深刻的根本性问题，所以任何能提供洞察的东西都非常令人兴奋。”
