Jak miejsce dziesiętne może na nowo zdefiniować fizykę

Naukowcy zidentyfikowali źródło rozbieżności w najnowszych przewidywaniach dotyczących momentu magnetycznego mionu. Ich odkrycia mogą przyczynić się do badania ciemnej materii i innych aspektów nowej fizyki.

Moment magnetyczny jest wewnętrzną właściwością wirującej cząstki, wynikającą z oddziaływania pomiędzy cząstką a magnesem lub innym obiektem posiadającym pole magnetyczne. Podobnie jak masa i ładunek elektryczny, moment magnetyczny jest jedną z podstawowych wielkości w fizyce. Istnieje różnica pomiędzy teoretyczną wartością momentu magnetycznego mionu, cząstki należącej do tej samej klasy co elektron, a wartościami uzyskanymi w eksperymentach wysokoenergetycznych prowadzonych w akceleratorach cząstek.

Różnica pojawia się tylko do ósmego miejsca po przecinku, ale naukowcy interesują się nią od czasu jej odkrycia w 1948 roku. Nie jest to szczegół: może wskazywać, czy mion oddziałuje z cząstkami ciemnej materii lub innymi bozonami Higgsa, czy nawet nie jest to znane . W tej operacji biorą udział żołnierze.

Niespójności w momencie magnetycznym mionu

Teoretyczną wartość momentu magnetycznego mionu, oznaczonego literą g, podaje równanie Diraca – sformułowane przez angielskiego fizyka, laureata Nagrody Nobla z 1933 r. Paulo Diraca (1902-1984), jednego z twórców mechaniki kwantowej i elektrodynamiki kwantowej – jako 2. Jednakże eksperymenty wykazały, że g nie wynosi dokładnie 2 i istnieje duże zainteresowanie zrozumieniem „g-2”, czyli różnicy między wartością eksperymentalną a wartością przewidywaną przez równanie Diraca. Najlepsza obecnie dostępna wartość eksperymentalna, uzyskana z zadziwiającą dokładnością w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) w USA i ogłoszona w sierpniu 2023 r., to 2,00116592059, z zakresem niepewności plus minus 0,00000000022.

„Precyzyjne określenie momentu magnetycznego mionu stało się głównym problemem w fizyce cząstek elementarnych, ponieważ badanie tej luki między danymi eksperymentalnymi a przewidywaniami teoretycznymi może dostarczyć informacji, które mogą prowadzić do odkrycia nowych, niesamowitych efektów” – powiedział fizyk Diogo Boito, profesor na Uniwersytecie Instytut Fizyki Uniwersytetu w São Carlos, São Paulo (IFSC-USP) do FAPESP.

W czasopiśmie ukazał się artykuł na ten temat autorstwa Boito i jego współpracowników Listy z przeglądu fizycznego.

Nowe wnioski z badań

„Nasze wyniki zostały zaprezentowane podczas dwóch ważnych wydarzeń międzynarodowych: najpierw przeze mnie podczas warsztatów w Madrycie w Hiszpanii, a następnie przez mojego kolegę Martina Goltermanna z Uniwersytetu Stanowego w San Francisco na spotkaniu w Bernie w Szwajcarii” – powiedział Boito.

Wyniki te identyfikują i wskazują źródło rozbieżności między dwiema metodami stosowanymi do tworzenia bieżących przewidywań dla mionu g-2. „Obecnie istnieją dwie metody wyznaczania podstawowego składnika g-2. Pierwsza opiera się na danych eksperymentalnych, a druga na komputerowych symulacjach chromodynamiki kwantowej, czyli QCD, teorii badającej silne oddziaływania między kwarkami. Te dwie metody prowadzić do bardzo różnych wyników, co jest dużym problemem.” Wyjaśnił, że dopóki ten problem nie zostanie rozwiązany, nie możemy badać udziału ewentualnych egzotycznych cząstek, takich jak nowe bozony Higgsa czy ciemna materia, na przykład w g-2.

Badanie z powodzeniem wyjaśnia tę rozbieżność, ale aby ją zrozumieć, musimy cofnąć się o kilka kroków i zacząć od nieco bardziej szczegółowego opisu mionu.

Pierścień magazynujący miony w Fermilab. Źródło: Reidar Hahn, Fermilab

Mion jest cząstką należącą do klasy leptonów, podobnie jak elektron, ma jednak znacznie większą masę. Z tego powodu jest niestabilny i przetrwa bardzo krótko w kontekście wysokoenergetycznym. Kiedy miony oddziałują ze sobą w obecności pola magnetycznego, rozpadają się i ponownie łączą w postaci chmury innych cząstek, takich jak elektrony, pozytony, bozony W i Z, bozony Higgsa i fotony. Dlatego w eksperymentach mionom zawsze towarzyszy wiele innych cząstek wirtualnych. Ich wkład sprawia, że ​​rzeczywisty moment magnetyczny zmierzony w eksperymentach jest większy niż teoretyczny moment magnetyczny obliczony za pomocą równania Diraca, który wynosi 2.

„Dla różnicy [g-2]należy wziąć pod uwagę wszystkie te wkłady – zarówno te przewidywane przez QCD [in the Standard Model of particle physics] Inne są mniejsze, ale pojawiają się w precyzyjnych pomiarach eksperymentalnych. „Dobrze znamy wiele z tych wkładów, ale nie wszystkie” – powiedział Boito.

Efektów silnych interakcji QCD nie można obliczyć samodzielnie teoretycznie, ponieważ są one niepraktyczne w niektórych systemach energetycznych, więc istnieją dwie możliwości. Jedna z nich jest stosowana już od jakiegoś czasu i polega na wykorzystaniu danych eksperymentalnych uzyskanych w wyniku zderzeń elektronów z pozytonami, w wyniku których powstają inne cząstki złożone z kwarków. Drugi to kratowy QCD, który stał się konkurencyjny dopiero w bieżącej dekadzie i wymaga symulacji procesu teoretycznego w superkomputerze.

„Głównym problemem w przewidywaniu mionu g-2 w tej chwili jest to, że wynik uzyskany na podstawie danych ze zderzeń elektron-pozyton nie zgadza się z ogólnym wynikiem eksperymentu, podczas gdy wyniki oparte na kratowej QCD tak. Tak nie było” – powiedział Boito. „Nikt nie jest pewien dlaczego, a nasze badanie wyjaśnia część tej zagadki”.

On i jego koledzy przeprowadzili badania specjalnie w celu rozwiązania tego problemu. „W artykule przedstawiono wyniki szeregu badań, w ramach których opracowaliśmy nową metodę porównywania wyników symulacji sieci QCD z wynikami opartymi na danych eksperymentalnych. „Wykazaliśmy, że możliwe jest wyodrębnienie z dużą dokładnością udziałów obliczonych dane do sieci – wkład tak zwanych diagramów kontinuum Feynmana” – powiedział.

Amerykański fizyk teoretyczny Richard Feynman (1918-1988) zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1965 r. (wraz z Julianem Schwingerem i Shinichiro Tomonagą) za swoje fundamentalne prace z zakresu elektrodynamiki kwantowej i fizyki cząstek elementarnych. Diagramy Feynmana, utworzone w 1948 r., są graficzną reprezentacją wyrażeń matematycznych opisujących interakcję tych cząstek i służą do uproszczenia obliczeń.

„W tym badaniu po raz pierwszy z dużą precyzją uzyskaliśmy wkłady diagramów kontinuum Feynmana w tak zwane „okno średniej energii”. Dziś mamy osiem wyników dla tych wkładów, uzyskanych za pomocą symulacji sieci QCD i wszystkie są co więcej, pokazaliśmy, że wyniki oparte na danych dotyczących interakcji elektron-pozyton nie zgadzają się z ośmioma wynikami symulacji.

Umożliwiło to badaczom zidentyfikowanie źródła problemu i przemyślenie możliwych rozwiązań. „Stało się jasne, że jeśli z jakiegoś powodu dane eksperymentalne dla kanału dwupionowego zostaną niedoszacowane, może to być przyczyną rozbieżności” – powiedział. Piony to mezony, cząstki składające się z kwarków i antykwarków powstające w zderzeniach wysokoenergetycznych.

W rzeczywistości nowe dane (wciąż w trakcie wzajemnej oceny) z Doświadczenie CMD-3 Badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Państwowym w Nowosybirsku w Rosji wydaje się pokazywać, że najstarsze dane dotyczące kanałów binarnych mogły zostać nie bez powodu niedoszacowane.

Odniesienie: „Wyznaczanie w oparciu o dane składnika lekkiego kwarku w średnim udziale okna w mionie g-2„Jenessa Benton, Diogo Boito, Martin Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman i Santiago Pires, 21 grudnia 2023 r., Listy z przeglądu fizycznego.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

Udział Boito w badaniach był częścią jego projektu „Testowanie modelu standardowego: precyzja QCD i mion g-2”, za który FAPESP przyznał mu grant dla młodych badaczy fazy II.