Nyt estimat af muonernes magnetiske feltstyrke stemmer overens med standardmodel for partikelfysik

En ny vurdering af styrken af ​​det magnetiske felt omkring myonen - en subatomær partikel svarende til, men tungere end, en elektron - lukker kløften mellem teori og eksperimentelle målinger, bringer den i overensstemmelse med den standardmodel, der har været vejledende partikelfysik i årtier.

Et papir, der beskriver forskningen udført af et internationalt hold af videnskabsmænd, udkommer den 8. april, 2021 i bladet Natur .

For tyve år siden, i et forsøg på Brookhaven National Laboratory, fysikere opdagede, hvad der så ud til at være en uoverensstemmelse mellem målinger af myonens "magnetiske moment" - styrken af ​​dets magnetiske felt - og teoretiske beregninger af, hvad denne måling skulle være, øger den fristende mulighed for fysiske partikler eller kræfter, der endnu ikke er opdaget. Det nye fund formindsker denne uoverensstemmelse, tyder på, at myonens magnetisme sandsynligvis ikke er mystisk overhovedet. For at opnå dette resultat, i stedet for at stole på eksperimentelle data, forskere simulerede alle aspekter af deres beregninger fra bunden - en opgave, der kræver massiv supercomputerkraft.

"De fleste af fænomenerne i naturen kan forklares med det, vi kalder 'standardmodellen' for partikelfysik, " sagde Zoltan Fodor, professor i fysik ved Penn State og leder af forskerholdet. "Vi kan forudsige egenskaberne af partikler ekstremt præcist baseret på denne teori alene, så når teori og eksperiment ikke stemmer overens, vi kan blive begejstrede for, at vi måske har fundet noget nyt, noget ud over standardmodellen. "

For en opdagelse af ny fysik ud over standardmodellen, der er konsensus blandt fysikere om, at uenigheden mellem teori og måling skal nå fem sigma - et statistisk mål, der svarer til en sandsynlighed på omkring 1 ud af 3,5 millioner.

I tilfælde af muon, målinger af dets magnetfelt afveg fra de eksisterende teoretiske forudsigelser med omkring 3,7 sigma. Spændende, men ikke nok til at erklære en opdagelse af et nyt brud i fysikkens regler. Så, forskere satte sig for at forbedre både målingerne og teorien i håb om enten at forene teori og måling eller øge sigmaet til et niveau, der ville tillade erklæringen om en opdagelse af ny fysik.

"Den eksisterende teori til estimering af styrken af ​​muonets magnetfelt baserede sig på eksperimentelle målinger af elektronpositronudslettelse, " sagde Fodor. "For at have en anden tilgang, vi brugte en fuldt verificeret teori, der var fuldstændig uafhængig af afhængighed af eksperimentelle målinger. Vi startede med temmelig grundlæggende ligninger og byggede hele estimatet fra bunden. "

De nye beregninger krævede hundredvis af millioner af CPU-timer på flere supercomputercentre i Europa og bringer teorien tilbage på linje med målingen. Imidlertid, historien er ikke slut endnu. Ny, mere præcise eksperimentelle målinger af myonens magnetiske moment forventes snart.

"Hvis vores beregninger er korrekte, og de nye målinger ikke ændrer historien, det ser ud til, at vi ikke har brug for nogen ny fysik for at forklare myonens magnetiske moment - det følger reglerne i standardmodellen, sagde Fodor. udsigten til ny fysik er altid lokkende, Det er også spændende at se teori og eksperiment stemme overens. Det viser dybden af ​​vores forståelse og åbner nye muligheder for udforskning. "

Spændingen er langt fra forbi.

"Vores resultat bør krydstjekkes af andre grupper, og vi forventer dem, sagde Fodor. Ydermere, vores fund betyder, at der er en spænding mellem de tidligere teoretiske resultater og vores nye. Denne uoverensstemmelse skal forstås. Ud over, de nye eksperimentelle resultater kan være tæt på gamle eller tættere på de tidligere teoretiske beregninger. Vi har mange års spænding foran os."