We review the present status of the Standard Model calculation of the anomalous magnetic moment of the muon. This is performed in a perturbative expansion in the fine-structure constant α and is broken down into pure QED, electroweak, and hadronic contributions. The pure QED contribution is by far the largest and has been evaluated up to and including O(α5) with negligible numerical uncertainty. The electroweak contribution is suppressed by (mμ∕MW)2 and only shows up at the level of the seventh significant digit. It has been evaluated up to two loops and is known to better than one percent. Hadronic contributions are the most difficult to calculate and are responsible for almost all of the theoretical uncertainty. The leading hadronic contribution appears at O(α2) and is due to hadronic vacuum polarization, whereas at O(α3) the hadronic light-by-light scattering contribution appears. Given the low characteristic scale of this observable, these contributions have to be calculated with nonperturbative methods, in particular, dispersion relations and the lattice approach to QCD. The largest part of this review is dedicated to a detailed account of recent efforts to improve the calculation of these two contributions with either a data-driven, dispersive approach, or a first-principle, lattice-QCD approach. The final result reads aμSM=116591810(43)×10−11 and is smaller than the Brookhaven measurement by 3.7σ. The experimental uncertainty will soon be reduced by up to a factor four by the new experiment currently running at Fermilab, and also by the future J-PARC experiment. This and the prospects to further reduce the theoretical uncertainty in the near future – which are also discussed here – make this quantity one of the most promising places to look for evidence of new physics.

We report a new measurement of the ratio $h/m_{\mathrm{Rb}}$ between the Planck constant and the mass of $^{87}\mathrm{Rb}$ atom. A new value of the fine structure constant is deduced, $\alpha^{-1}=137.035\,999\,037\,(91)$ with a relative uncertainty of $6.6\times 10^{-10}$. Using this determination, we obtain a theoretical value of the electron anomaly $a_\mathrm{e}=0.001~159~652~181~13(84)$ which is in agreement with the experimental measurement of Gabrielse ($a_\mathrm{e}=0.001~159~652~180~73(28)$). The comparison of these values provides the most stringent test of the QED. Moreover, the precision is large enough to verify for the first time the muonic and hadronic contributions to this anomaly.

The standard model of particle physics is remarkably successful because it is consistent with (almost) all experimental results. However, it fails to explain dark matter, dark energy and the imbalance between matter and antimatter in the Universe. Because discrepancies between standard-model predictions and experimental observations may provide evidence of new physics, an accurate evaluation of these predictions requires highly precise values of the fundamental physical constants. Among them, the fine-structure constant α is of particular importance because it sets the strength of the electromagnetic interaction between light and charged elementary particles, such as the electron and the muon. Here we use matter-wave interferometry to measure the recoil velocity of a rubidium atom that absorbs a photon, and determine the fine-structure constant α−1 = 137.035999206(11) with a relative accuracy of 81 parts per trillion. The accuracy of eleven digits in α leads to an electron g factor1,2—the most precise prediction of the standard model—that has a greatly reduced uncertainty. Our value of the fine-structure constant differs by more than 5 standard deviations from the best available result from caesium recoil measurements3. Our result modifies the constraints on possible candidate dark-matter particles proposed to explain the anomalous decays of excited states of 8Be nuclei4 and paves the way for testing the discrepancy observed in the magnetic moment anomaly of the muon5 in the electron sector6. The fine-structure constant is determined with an accuracy of 81 parts per trillion using matter-wave interferometry to measure the rubidium atom recoil velocity.