2026年4月，奖金300万美元的基础物理学突破奖颁给了μ子g-2实验的三代参与者：欧洲核子研究中心（CERN）、布鲁克海文和费米实验室的数百名科学家，他们花了六十多年测量同一种粒子的同一个数字[1][2]。为什么这值得一个有时被称为“科学界奥斯卡”的奖项？因为这一个数字几乎检验了我们对粒子物理的全部认识。
这种粒子：一个“重电子”
A-Level拓展
μ子是一种轻子，在A-Level学到的标准模型中与电子同属一个家族。它的电荷相同（−1），质量却约为电子的207倍，而且不稳定，静止时约2.2微秒就会衰变。和电子一样，它有自旋，因此像一块小磁铁。放在磁场中，它的自旋轴会像摇摆的陀螺一样转动，也就是进动。
为什么是“g减2”？
数值g描述在给定自旋下这块小磁铁有多强。保罗·狄拉克的理论预言g恰好为2。但量子物理指出，空无一物的空间里充满短暂出现又消失的虚粒子，μ子会与它们全部相互作用。每一种都让g略高于2。反常a = (g − 2)/2是所有这些贡献的总和：电磁力、弱力、强力，以及任何尚未发现的粒子。精确测量它，精确计算它，再加以比较。若两者不符，就暗示存在新物理。
μ子在处于均匀磁场中的储存环内绕行。如果g恰好等于2，自旋（红色）会始终与运动方向（灰色）保持一致。由于g略大于2，自旋每绕一圈都会稍稍超前一点（此图大大夸张）。测量这种漂移，就是在测量g − 2。
实验如何进行
巧妙之处在于直接测量差值。μ子储存在一个直径约15米（50英尺）的超导环中。这个环原本为布鲁克海文实验建造，2013年经过35天、横跨3200英里的水陆运输被运到伊利诺伊州的费米实验室[2]。在环内的均匀磁场中，自旋的转动略快于μ子绕环一周。μ子衰变时，产生的电子或正电子倾向于沿自旋方向飞出，因此环周围的探测器能追踪自旋漂移了多少。漂移速率取决于(g − 2)和磁场，而磁场经过极其仔细的测量。
时间线
- 1959年首批μ子g-2实验在CERN开始。
- 20世纪90年代中期布鲁克海文国家实验室开展第二代实验。
- 2013年储存环被运往3200英里外的费米实验室。
- 2018–2023年费米实验室分六轮采集数据。
- 2025年6月最终结果：精度达十亿分之127。
- 2026年4月基础物理学突破奖。
最终数字
2025年6月3日，费米实验室合作组——来自7个国家34个机构的近176名科学家——宣布[3]：
aμ = 0.001 165 920 705 ± 0.000 000 000 114 (stat.) ± 0.000 000 000 091 (syst.)
这是十亿分之127的精度，优于140 ppb的设计目标[3]。注意不确定度分为两部分给出：统计不确定度（来自μ子数量有限）和系统不确定度（来自装置的不完美，例如对磁场的精确掌握）。这正是A-Level实验技能要求你区分的内容。
快速检测
十亿分之127相当于多少百分比的不确定度？
反常解决了吗？
学生常常混淆的区别
分歧可以通过更好的理论来消除，而不只是靠新粒子。
考试式问题
μ子静止时的平均寿命为2.2 μs。在g-2储存环中，μ子以约0.9994c的速度运动，测得的寿命约为64 μs。解释这一观测结果。 [3分]
显示范例答案与得分点
- μ子以接近光速运动，因此适用狭义相对论（时间膨胀） (1分)
- 在实验室参考系中测得的寿命长于固有寿命：t = γt₀ (1分)
- γ = 1/√(1 − 0.9994²) ≈ 29，所以t ≈ 29 × 2.2 μs ≈ 64 μs (1分)
考官关注的重点: 说出时间膨胀，使用正确的公式，并写出洛伦兹因子的计算过程。
常见错误: 说μ子“因为很冷所以衰老得慢”，或者没有说明参考系就使用长度收缩。
储存环让μ子以一个特殊的“魔术动量”运行，所以时间膨胀的结果非常整齐。相对论不只是考试内容：我们关于为什么GPS需要爱因斯坦的文章展示了它就在你的口袋里。
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参考资料与延伸阅读
- University of Washington: UW physicists win 2026 Breakthrough Prize for study of enigmatic particle (21 Apr 2026) — 奖项、三代实验、1959年CERN
- Fermilab: Experiment receives Breakthrough Prize in Fundamental Physics (Apr 2026) — 储存环的运输之旅
- Fermilab: Muon g-2 announces most precise measurement of the magnetic anomaly of the muon (Jun 2025) — 最终值、127 ppb、合作组规模、与理论的比较
- Physics World: Muon g-2 achieves record precision, but theoretical tensions remain — 理论背景
最后审校日期:2026年10月5日。以上数据为已公布的典型数值,规则可能会发生变化。考试用语因考试大纲而异,请以你所在考试局的规定为准。
常见问题
μ子是什么？
一种基本粒子，可以看作电子的“重表亲”：电荷相同，质量约为电子的207倍，而且不稳定，静止时约2.2微秒就会衰变。宇宙射线撞击大气时会自然产生μ子，加速器中也能产生。
“g-2”是什么意思？
g衡量粒子的自旋有多像一块磁铁。简单的量子理论预言g恰好等于2。实际上，粒子不断与短暂存在的“虚”粒子相互作用，使g略高于2。这个偏移的大小，即反常a = (g − 2)/2，能检验我们是否知道所有可能产生贡献的粒子。
最终结果是什么？
2025年6月，费米实验室的μ子g-2实验公布a = 0.001 165 920 705，精度达到十亿分之127，优于140 ppb的设计目标，并与该实验此前的结果一致。
发现新物理了吗？
大概没有。多年来，测量值与主要理论预言不符，暗示存在未知粒子。但利用超级计算机进行格点QCD计算的改进理论，现在与测量值高度吻合，因此“反常”基本消失了，不过不同理论方法之间仍在协调。
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关于作者
Sudershan Soni
Mostak Services 的创始人兼首席导师——拥有硕士学位的数学、科学、计算机科学与 STEM 导师,拥有超过20年的职业经验,通过在线授课为全球从 11+ 和 GCSE 到 A-Level 及更高阶段的学生提供教学。
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