费米实验室的μ子g-2实验到底测量的是什么

在标准模型所有令人难以置信的成功中，量子电动力学(QED)似乎是最神奇的，它描述了带电粒子如何通过电磁力相互作用。QED描述的相互作用之一是带电粒子如何倾向于旋转以与磁场对齐，这种相互作用的强度由粒子的g因子定义。QED预测的电子g因子的值与实验结果匹配得非常好，两者之间相差不到十亿分之一，迄今为止是所有物理学中最准确的预测。

让我们从谈论量子自旋开始。每个带电荷的粒子有量子自旋，这与简单的旋转不同，具有量子自旋的粒子会产生偶极子磁场。具有这种磁场的物体放在第二个外部磁场内，粒子的磁场将倾向于旋转以与该外部磁场对齐，这种响应强度由物体偶极矩定义。

对于旋转电荷，这取决于物体的角动量、电荷和质量，这是非量子旋转电荷的经典偶极矩方程（下图）。但是电子具有量子自旋，它的偶极矩与经典偶极矩不同，还要乘以一个g因子。对于电子来说，g的值大约为2，因此电子对外部磁场的响应强度是等效经典旋转电荷的两倍。量子电动力学可以准确地告诉我们电子的g值是多少，为了理解这一点，我们需要看一下QED中的图。

我们可以用最简单的费曼图来表示与磁场相互作用的电子：有一个电子被来自该场的单个光子偏转，如果仅从这种最简单的情况计算g因子，则得到的值恰好为2。但是还有其他方式可以发生这种交互，较为简单的方式是电子在吸收光子之前就已经先发生光子了，然后再重新吸收发射的光子。添加此交互作用之后，朱利安·施温格可以计算出稍高的g值为2.0011614。