“ 一尺之棰，日取其半，万世不竭”——出自庄子的《庄子》，又称《 南华经 》。

上段话是古人对无穷和物质基本单元的思考，现在看来虽然存在一些偏差，但是这种哲学思想一直在指导我们追寻物质的基本构成！我们现在对物质组成成分的理解已经达到了前所未有的高度，这得益于我们对基础物理学的发展。

不仅如此，我们还建立起了一套描述微观世界的标准模型，成功的解释了自然界的四大基本力以及它们相互作用的方式，那么我们现在拥有的这套至高无上的“微观世界宝典”是否就是宇宙的全部？自然界中是否还存在标准模型之外的粒子？

宇宙中基本不可在分割的粒子

说到基础物理学，我们在很短的时间内就取得了长足的进步。在一个多世纪的时间里，我们发现了曾经认为是最基本、最小的物质单位：原子，实际上是由更小的粒子组成的：原子核和电子。原子核本身是由质子和中子构成的，而这些质子和中子是由更小的粒子构成的：夸克和胶子！

 

据我们所知夸克、胶子和电子是一些不能被分解成更小单元的粒子。当我们进一步计算我们所知的基本粒子时，我们还发现了其他不同类型的粒子，也不能被进一步分割：

• 六个夸克（ 上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及顶（t）以及它们的反夸克，每一个夸克都有三种不同的色荷和两种不同的自旋（+1⁄2、−1⁄2）
• 三个带电的轻子：电子、μ子和τ子以及它们的反轻子对应物，每个都允许有两种不同的自旋态，
• 三个中性轻子：中微子（电子中微子，μ中微子和τ中微子），还有三个反中微子，中微子都是左旋+1⁄2，反中微子是右旋−1⁄2，
• 胶子有两种不同的自旋状态（+1、−1），有八种色荷，
• 光子有两种不同的自旋（+1和-1）
• W和Z玻色子有三种类型（W+、W-和Z），每个玻色子有三种允许的自旋态（-1、0和+1）
• 希格斯玻色子，只存在一种自旋状态（0）。

 

上图是基本粒子的标准模型。据我们目前所知，这些是宇宙中已知的所有粒子，解释了我们曾经直接接触过的所有物质。

但是我们还知道宇宙中一定还有更多的粒子等待着我们去发现，因为目前标准模型中的粒子不能解释暗物质的存在。此外，我们目前所知道的粒子物理学存在理论上的局限性和不一致性（我们没有解决基本力统一问题或强cp问题的方法）因此我们怀疑宇宙中还有更多未知的超出标准模型的物理学。

狄拉克对电子磁矩g因子的预测和施温格的修正

 

在标准模型中的第一代粒子，包括组成质子和中子的夸克，以及电子，这中间没有出现让我们无法解释的现象，等发展到第二代粒子就出现了一些问题！这也可能是让我们进入未来物理学的第一个窗口。

标准模型中的每一个带电粒子，夸克、带电的轻子和w -玻色子不仅有电荷，而且有基本的自旋，或者说是固有的角动量。在我们的宏观世界里，任何带有电荷的物体移动或旋转，都会产生磁场。上面提到的所有粒子也都有固有的磁矩。

 

我们知道每个粒子的磁矩应该与自旋和电荷成正比，且与质量成反比，那么每一个特定的粒子就应该有一个常数g（朗德因子或g因子）。

1928年，保罗·狄拉克（Paul Dirac）首次对所有带电的轻子和夸克的这个常数进行了预测，他预测电子（还有μ子和τ子）的g应该等于2。

 

但是相对论量子力学并不是整个故事的全部，因为不考虑整个宇宙的量子场本质就去考虑量子粒子（或波）是错误的！除了简单的粒子和它们自身固有的磁场外，标准模型中的所有其他粒子都可以相互作用，包括自作用，共同构成了整体固有磁场。

上面的“第二”张图显示了对狄拉克“g = 2”预测的第一次修正，狄拉克的“g = 2”预测是由朱利安·施温格首先在量子电动力学的第一次实际应用中计算出来的。施温格的一阶修正的g应该是2（1 + a），其中a为精细结构常数α/ 2 π，这个公就刻在施温格的墓碑上。

 

电子g因子与标准模型预测相符，但无法解释μ子的差异

我们现在已经计算出了更高阶的校正量，而且对于电子和μ子的g因子测量也非常精确。众所周知，电子g因子是2.00231930436146，是最精确测量的物理量之一，与理论预测也惊人地吻合。

但是对于μ子来说比电子重约200倍，它的预测g值和测量g值之间存在轻微但显著的差异！

 

我们实验测得μ子g为2.00233184178，仅在标准模型内预测其值为2.0023318364。这两个数字很接近，但这些差异是显著的！引用托马斯·布卢姆等人在（2013年）的话:

这两个数字的比较，导致实验和理论之间的差异在4.1到4.7σ之间。

σ为标准差，是Motorola于1986年提出了百万机会缺陷数，其中4σ≈ 每百万机会6209.6个差错 ，5σ≈ 每百万机会232.6个差错！5σ（5个标准误差），说明理论的可信程度达到了99.99997%！

μ子g值的理论差异和实验差异已经存在了几十年，而且随着时间的推移，这种差异的证据也会越来越多。

 

在当今的物理学中5σ是实验和理论预测的黄金标准，因此我们已经找到了超越标准模型的强有力的物理证据！因为粒子物理学存在一些未知的额外粒子和相互作用，对μ子磁矩产生了很大程度的影响，因此会造成理论预测和实验的误差。

顺便说一句，自2001年以来关于μ子磁矩这个主题已经科学家已经发表了成千上万篇论文，因为如果有超越标准模型的新物理学，那么对μ子磁矩实验的研究是揭示新粒子和新物理学的一个很好的窗口。

总结：有很多证据都预示着标准模型的不完善

 

除了大型强子对撞机以及对潜在的新粒子的探索，可以为我们超越标准模型打开新物理学的大门以外，对μ子g因子的研究也可能是一个很好的机会。不管怎样，我们现在十分确定的是，目前拥有的标准模型并不是我们宇宙的全部。还存在着一些我们目前尚未发现的的例子，是它们组成了暗物质、导致了强CP破坏、违反重子数守恒，甚至解决宇宙起源物质的来源和反物质消失之谜。