Fysikere offentliggør verdensomspændende konsensus om beregning af muonmagnetiske momenter

I årtier, videnskabsmænd, der studerer myonen, er blevet forundret over et mærkeligt mønster i den måde, muoner roterer i magnetiske felter, en, der fik fysikere til at spekulere på, om den kan forklares med standardmodellen - det bedste værktøj fysikere har til at forstå universet.

Denne uge, et internationalt hold på mere end 170 fysikere offentliggjorde den hidtil mest pålidelige forudsigelse for den teoretiske værdi af myonens unormale magnetiske moment, som ville tage højde for dens særlige rotation, eller præcession. Det magnetiske moment for subatomære partikler udtrykkes generelt i form af den dimensionsløse Landé -faktor, kaldet g. Mens en række internationale grupper har arbejdet særskilt med beregningen, denne publikation markerer første gang, at det globale teoretiske fysiksamfund er gået sammen for at offentliggøre en konsensusværdi for myonens magnetiske øjeblik.

Resultatet afviger fra den seneste eksperimentelle måling, som blev udført på Brookhaven National Laboratory i 2004, men ikke væsentligt nok til entydigt at besvare dette spørgsmål.

Nu afventer verden resultatet fra Fermilabs nuværende Muon g-2-eksperiment. I de kommende måneder, fysikere, der arbejder på eksperimentet, vil afsløre deres foreløbige måling for værdien. Afhængigt af hvor meget den teoretiske beregning af standardmodellen afviger fra den kommende eksperimentelle måling, fysikere kan være et skridt tættere på at afgøre, om myonens magnetiske interaktioner antyder partikler eller kræfter, der endnu ikke er blevet opdaget.

I slutningen af ​​1960'erne på CERN-laboratoriet, forskere begyndte at bruge en stor cirkulær magnetisk ring til at teste den teori, der beskrev, hvordan muoner skal "vakle", når de bevæger sig gennem et magnetfelt. Siden da, Eksperimentører er fortsat med at kvantificere den slingre, lave flere og mere præcise målinger af myonens unormale magnetiske moment.

Den årtier lange indsats førte til sidst til et eksperiment på Brookhaven National Laboratory og dets efterfølger på Fermilab, samt planer om et nyt forsøg i Japan. På samme tid, teoretikere arbejdede på at forbedre præcisionen af ​​deres beregninger og finjustere deres forudsigelser.

Den teoretiske værdi af det unormale magnetiske moment af myonen, offentliggjort i dag, er:

a =(g-2)/2 (myon, teori) =116 591 810(43) x 10 ^-12

Det mest præcise eksperimentelle resultat, der er tilgængeligt indtil videre, er:

a =(g-2)/2 (muon, expmt) =116 592 089(63) x 10 ^-12

Igen, den lille uoverensstemmelse mellem de eksperimentelle målinger og den forudsagte værdi har bestået, og igen er det lige under tærsklen at komme med en endelig erklæring.

Denne teoretiske værdi, offentliggjort i arXiv, er resultatet af over tre års arbejde udført af 130 fysikere fra 78 institutioner i 21 lande.

"Vi har ikke tidligere haft en teoriindsats som denne, hvor alle de forskellige evalueringer kombineres til en enkelt standardmodelforudsigelse, " sagde Aida El-Khadra, en fysiker ved University of Illinois og medformand for styregruppen for Muon g-2 Theory Initiative, navnet på den gruppe af videnskabsmænd, der arbejdede med beregningen.

Deres arbejde bygger på en enkelt ligning offentliggjort i 1928, der samtidig startede kvanteelektrodynamikken og lagde grundlaget for Muon g-2-eksperimentet.

En elegant teori

Hvis du skulle spørge fysikere, hvad de betragtede som den mest nøjagtige og succesrige ligning inden for deres område, chancerne er, at mere end nogle få ville sige, at det er Diracs ligning, som beskriver elektronens relativistiske kvanteteori. Udgivet i 1928, Dirac beskrev elektronernes spin-bevægelse, og hans ligning byggede bro mellem Einsteins relativitetsteori og kvantemekanikkens teori, og utilsigtet forudsagde eksistensen af ​​antistof med kun en enkelt ligning.

Dirac var også i stand til at beregne noget, der kaldes elektronens magnetiske moment, som han beskrev som værende "en uventet bonus."

Elektroner kan opfattes som små spinning toppe, der roterer om deres akse, en iboende egenskab, der får hver elektron til at fungere som en lille magnet. Når det placeres i et magnetfelt, som dem, der genereres i partikelacceleratorer, elektroner vil præcessere - eller slingre på deres akse - i et specifikt og forudsigeligt mønster. Denne wobble er en effekt af partikelens magnetiske moment, og det gælder mere end elektroner. Hver elektrisk ladede partikel med ½ spin (spin er kvantificeret i halve enheder) opfører sig på samme måde, inklusive partikler kaldet muoner, som har samme egenskaber som elektroner, men er mere end 200 gange så massive.

Diracs ligning, som ikke tog hensyn til virkningerne af kvanteudsving, forudsagde, at g ville være lig med 2. Eksperiment har vist, at den faktiske værdi adskiller sig fra den simple forventning - deraf navnet "muon g-2."

Fysikere har nu en meget bedre forståelse af, hvad disse kvanteudsving er, og hvordan de opfører sig på subatomære skalaer, men præcist at beregne, hvordan de påvirker myonens vej, er ingen nem opgave.

"At beregne virkningerne af disse kvanteudsving på det præcisionsniveau, som moderne eksperiment kræver, er ikke noget, en genial person kan gøre alene, " sagde El-Khadra. "Det tager virkelig hele landsbyen."

Møde mellem sindene

Med så mange fysikere, der arbejder på den seneste udvikling af teorien rundt om i verden, El-Khadra og hendes kolleger på Fermilab vidste, at den bedste måde at lette interaktioner mellem grupperne var at bringe dem alle sammen. Så, starter i 2016, El-Khadra og hendes kolleger i Fermilab Theory Group, sammen med Brookhaven National Laboratory-forsker Christoph Lehner, Medformand for Teoriinitiativet, og flere andre internationale samarbejdspartnere nåede ud til lederne i det globale samfund af fysikere, der arbejder på dette problem for at sammensætte et nyt initiativ, Muon g-2 Theory Initiative. Initiativet, ledet af en styrekomité på ni personer, der omfatter ledere af alle de store indsatser inden for både teori og eksperimenter, arrangeret en række workshops rundt om i verden, herunder i USA, Japan og Tyskland, hvoraf den første var vært hos Fermilab i 2017.

"Vi havde nogle meget intense diskussioner, "El-Khadra sagde, "Det førte til mere detaljerede sammenligninger og en bedre forståelse af fordele og ulemper ved de forskellige tilgange."

Etableringen af ​​Muon g-2 Theory Initiative var den første sammenhængende internationale indsats for at samle alle de parter, der arbejdede på standardmodelværdien af ​​muonets anomale magnetiske moment.

"Før dette initiativ begyndte, der var en række evalueringer i litteraturen af ​​standardmodelværdien, hver af dem adskilte sig lidt fra de andre, " sagde Boston University videnskabsmand Lee Roberts, medstifter af Fermilab-eksperimentet og medlem af initiativets styregruppe. "Det bemærkelsesværdige er, at dette verdensomspændende samfund var i stand til at komme sammen og blive enige om den 'bedste' værdi for hvert af bidragene til værdien af ​​myonens magnetiske øjeblik."

Kvanteberegninger

"Muoner og andre spin-½ partikler er aldrig rigtig alene i universet, "sagde Fermilab -forskeren Chris Polly, som er en af ​​Muon g-2's talsmænd, sammen med University of Manchester fysiker Mark Lancaster. "De interagerer med et helt entourage af partikler, der konstant dukker ind og ud af eksistensen."

De to vigtigste kilder til usikkerhed er hadronisk vakuumpolarisering og lys-for-lys-spredning-hvor en muon udsender og reabsorberer fotoner, efter at de er rejst gennem en boble af kvarker og gluoner. Begge disse faktorer udgør tilsammen mindre end 0,01 % af effekten på myonens slingre, men udgør dog den vigtigste kilde til usikkerhed i teoriberegningen.

At beregne den lys-for-lys-spredningsdel af det hadroniske bidrag har vist sig at være særligt vanskelig, og før starten af ​​Muon g-2 Theory Initiative, fysikere havde endnu ikke fremlagt pålidelige skøn over dens virkninger. Det bedste, de kunne klare, var grove tilnærmelser, der fik nogle til at spekulere på, om disse evalueringer af lys-for-lys-spredning kan være kilden til forskellen mellem myonens beregnede unormale magnetiske moment og den eksperimentelt målte værdi.

Men teoretikere er nu sikre på, at de kan lægge denne tvivl til ro. Takket være heroisk indsats i de senere år inden for teorimiljøet, ikke kun én, men to uafhængige evalueringer er nu tilgængelige, hver med pålidelige estimerede usikkerheder, som er inkluderet i den samlede fejl i standardmodelforudsigelsen, der er anført ovenfor.

"Vi har nu kvantificeret lys-for-lys spredningsbidraget i det omfang, at det ikke længere kan bruges som en forklaring på at gemme standardmodellen, hvis den eksperimentelle værdi viser sig at afvige væsentligt fra den teoretiske forudsigelse, " sagde Brookhaven National Laboratory fysiker Christoph Lehner, Teoriinitiativ bisidder.

Og med så meget ridning på linjen, El-Khadra og andre medlemmer af Theory Initiative har ikke overladt noget til tilfældighederne.

"Vi har stærkt understreget vigtigheden af ​​at inkludere evalueringer baseret på flere forskellige metoder i vores konstruktion af standardmodellens forudsigelse af myonens unormale magnetiske moment, "Sagde El-Khadra." Fordi hvis vi finder ud af, at Fermilab-eksperimentets måling er uforenelig med standardmodellen, vi vil være sikre."