“ 一尺之棰，日取其半，萬世不竭”——出自莊子的《莊子》，又稱《 南華經(jīng) 》。

上段話是古人對無窮和物質(zhì)基本單元的思考，現(xiàn)在看來雖然存在一些偏差，但是這種哲學(xué)思想一直在指導(dǎo)我們追尋物質(zhì)的基本構(gòu)成！我們現(xiàn)在對物質(zhì)組成成分的理解已經(jīng)達(dá)到了前所未有的高度，這得益于我們對基礎(chǔ)物理學(xué)的發(fā)展。

不僅如此，我們還建立起了一套描述微觀世界的標(biāo)準(zhǔn)模型，成功的解釋了自然界的四大基本力以及它們相互作用的方式，那么我們現(xiàn)在擁有的這套至高無上的“微觀世界寶典”是否就是宇宙的全部？自然界中是否還存在標(biāo)準(zhǔn)模型之外的粒子？

宇宙中基本不可在分割的粒子

說到基礎(chǔ)物理學(xué)，我們在很短的時間內(nèi)就取得了長足的進步。在一個多世紀(jì)的時間里，我們發(fā)現(xiàn)了曾經(jīng)認(rèn)為是最基本、最小的物質(zhì)單位：原子，實際上是由更小的粒子組成的：原子核和電子。原子核本身是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，而這些質(zhì)子和中子是由更小的粒子構(gòu)成的：夸克和膠子！

據(jù)我們所知夸克、膠子和電子是一些不能被分解成更小單元的粒子。當(dāng)我們進一步計算我們所知的基本粒子時，我們還發(fā)現(xiàn)了其他不同類型的粒子，也不能被進一步分割：

• 六個夸克（ 上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）以及它們的反夸克，每一個夸克都有三種不同的色荷和兩種不同的自旋（+1?2、?1?2）
• 三個帶電的輕子：電子、μ子和τ子以及它們的反輕子對應(yīng)物，每個都允許有兩種不同的自旋態(tài)，
• 三個中性輕子：中微子（電子中微子，μ中微子和τ中微子），還有三個反中微子，中微子都是左旋+1?2，反中微子是右旋?1?2，
• 膠子有兩種不同的自旋狀態(tài)（+1、?1），有八種色荷，
• 光子有兩種不同的自旋（+1和-1）
• W和Z玻色子有三種類型（W+、W-和Z），每個玻色子有三種允許的自旋態(tài)（-1、0和+1）
• 希格斯玻色子，只存在一種自旋狀態(tài)（0）。

上圖是基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型。據(jù)我們目前所知，這些是宇宙中已知的所有粒子，解釋了我們曾經(jīng)直接接觸過的所有物質(zhì)。

但是我們還知道宇宙中一定還有更多的粒子等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，因為目前標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子不能解釋暗物質(zhì)的存在。此外，我們目前所知道的粒子物理學(xué)存在理論上的局限性和不一致性（我們沒有解決基本力統(tǒng)一問題或強cp問題的方法）因此我們懷疑宇宙中還有更多未知的超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)。

狄拉克對電子磁矩g因子的預(yù)測和施溫格的修正

在標(biāo)準(zhǔn)模型中的第一代粒子，包括組成質(zhì)子和中子的夸克，以及電子，這中間沒有出現(xiàn)讓我們無法解釋的現(xiàn)象，等發(fā)展到第二代粒子就出現(xiàn)了一些問題！這也可能是讓我們進入未來物理學(xué)的第一個窗口。

標(biāo)準(zhǔn)模型中的每一個帶電粒子，夸克、帶電的輕子和w -玻色子不僅有電荷，而且有基本的自旋，或者說是固有的角動量。在我們的宏觀世界里，任何帶有電荷的物體移動或旋轉(zhuǎn)，都會產(chǎn)生磁場。上面提到的所有粒子也都有固有的磁矩。

我們知道每個粒子的磁矩應(yīng)該與自旋和電荷成正比，且與質(zhì)量成反比，那么每一個特定的粒子就應(yīng)該有一個常數(shù)g（朗德因子或g因子）。

1928年，保羅·狄拉克（Paul Dirac）首次對所有帶電的輕子和夸克的這個常數(shù)進行了預(yù)測，他預(yù)測電子（還有μ子和τ子）的g應(yīng)該等于2。

但是相對論量子力學(xué)并不是整個故事的全部，因為不考慮整個宇宙的量子場本質(zhì)就去考慮量子粒子（或波）是錯誤的！除了簡單的粒子和它們自身固有的磁場外，標(biāo)準(zhǔn)模型中的所有其他粒子都可以相互作用，包括自作用，共同構(gòu)成了整體固有磁場。

上面的“第二”張圖顯示了對狄拉克“g = 2”預(yù)測的第一次修正，狄拉克的“g = 2”預(yù)測是由朱利安·施溫格首先在量子電動力學(xué)的第一次實際應(yīng)用中計算出來的。施溫格的一階修正的g應(yīng)該是2（1 + a），其中a為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α/ 2 π，這個公就刻在施溫格的墓碑上。

電子g因子與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測相符，但無法解釋μ子的差異

我們現(xiàn)在已經(jīng)計算出了更高階的校正量，而且對于電子和μ子的g因子測量也非常精確。眾所周知，電子g因子是2.00231930436146，是最精確測量的物理量之一，與理論預(yù)測也驚人地吻合。

但是對于μ子來說比電子重約200倍，它的預(yù)測g值和測量g值之間存在輕微但顯著的差異！

我們實驗測得μ子g為2.00233184178，僅在標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)預(yù)測其值為2.0023318364。這兩個數(shù)字很接近，但這些差異是顯著的！引用托馬斯·布盧姆等人在（2013年）的話:

這兩個數(shù)字的比較，導(dǎo)致實驗和理論之間的差異在4.1到4.7σ之間。

σ為標(biāo)準(zhǔn)差，是Motorola于1986年提出了百萬機會缺陷數(shù)，其中4σ≈?每百萬機會6209.6個差錯 ，5σ≈?每百萬機會232.6個差錯！5σ（5個標(biāo)準(zhǔn)誤差），說明理論的可信程度達(dá)到了99.99997%！

μ子g值的理論差異和實驗差異已經(jīng)存在了幾十年，而且隨著時間的推移，這種差異的證據(jù)也會越來越多。

在當(dāng)今的物理學(xué)中5σ是實驗和理論預(yù)測的黃金標(biāo)準(zhǔn)，因此我們已經(jīng)找到了超越標(biāo)準(zhǔn)模型的強有力的物理證據(jù)！因為粒子物理學(xué)存在一些未知的額外粒子和相互作用，對μ子磁矩產(chǎn)生了很大程度的影響，因此會造成理論預(yù)測和實驗的誤差。

順便說一句，自2001年以來關(guān)于μ子磁矩這個主題已經(jīng)科學(xué)家已經(jīng)發(fā)表了成千上萬篇論文，因為如果有超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理學(xué)，那么對μ子磁矩實驗的研究是揭示新粒子和新物理學(xué)的一個很好的窗口。

總結(jié)：有很多證據(jù)都預(yù)示著標(biāo)準(zhǔn)模型的不完善

除了大型強子對撞機以及對潛在的新粒子的探索，可以為我們超越標(biāo)準(zhǔn)模型打開新物理學(xué)的大門以外，對μ子g因子的研究也可能是一個很好的機會。不管怎樣，我們現(xiàn)在十分確定的是，目前擁有的標(biāo)準(zhǔn)模型并不是我們宇宙的全部。還存在著一些我們目前尚未發(fā)現(xiàn)的的例子，是它們組成了暗物質(zhì)、導(dǎo)致了強CP破壞、違反重子數(shù)守恒，甚至解決宇宙起源物質(zhì)的來源和反物質(zhì)消失之謎。