Undersøgelse afklarer et nøglespørgsmål i partikelfysik om muonernes magnetiske moment

Magnetisk moment er en iboende egenskab for en partikel med spin, der opstår fra interaktion mellem partiklen og en magnet eller et andet objekt med et magnetfelt. Ligesom masse og elektrisk ladning er magnetisk moment en af ​​fysikkens fundamentale størrelser.

Der er forskel på den teoretiske værdi af det magnetiske moment af en myon, en partikel, der tilhører samme klasse som elektronen, og værdierne opnået i højenergieksperimenter udført i partikelacceleratorer. Forskellen vises kun med ottende decimal, men videnskabsmænd har været fascineret af den, siden den blev opdaget i 1948.

Det er ikke en detalje:det kan indikere, om myonen interagerer med mørkt stofpartikler eller andre Higgs-bosoner eller endda om ukendte kræfter er involveret i processen.

Den teoretiske værdi af myonens magnetiske moment, repræsenteret ved bogstavet g, er givet af Dirac-ligningen – formuleret af den engelske fysiker og 1933 Nobelprisvinder Paulo Dirac (1902-1984), en af ​​grundlæggerne af kvantemekanik og kvanteelektrodynamik – som 2. Forsøg har dog vist, at g ikke ligefrem er 2, og der er stor interesse for at forstå "g-2", dvs. forskellen mellem den eksperimentelle værdi og den værdi, der forudsiges af Dirac-ligningen.

Den bedste eksperimentelle værdi, der er tilgængelig i øjeblikket, opnået med en imponerende grad af præcision ved Fermi National Accelerator Laboratory i USA og annonceret i august 2023, er 2,00116592059, med et usikkerhedsområde på plus eller minus 0,000000000022. Oplysninger om Muon G-2-eksperimentet udført på Fermilab kan findes på:muon-g-2.fnal.gov/ .

"Nøjagtig bestemmelse af myonens magnetiske moment er blevet et nøglespørgsmål i partikelfysik, fordi undersøgelse af denne kløft mellem de eksperimentelle data og den teoretiske forudsigelse kan give information, der kan føre til opdagelsen af ​​en spektakulær ny effekt," fysiker Diogo Boito, en professor ved University of São Paulo's São Carlos Institute of Physics (IFSC-USP), fortalte Agência FAPESP.

En artikel om emnet af Boito og samarbejdspartnere er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

"Vores resultater blev præsenteret ved to vigtige internationale begivenheder. Først af mig under en workshop i Madrid, Spanien, og senere af min kollega Maarten Golterman fra San Francisco State University ved et møde i Bern, Schweiz," sagde Boito.

Disse resultater kvantificerer og peger på oprindelsen af ​​en uoverensstemmelse mellem de to metoder, der bruges til at lave nuværende forudsigelser af muon g-2.

"Der er i øjeblikket to metoder til at bestemme en fundamental komponent af g-2. Den første er baseret på eksperimentelle data, og den anden på computersimuleringer af kvantekromodynamik eller QCD, teorien, der studerer stærke interaktioner mellem kvarker. Disse to metoder producerer helt anderledes resultater, hvilket er et stort problem. Indtil det er løst, kan vi ikke undersøge bidragene fra mulige eksotiske partikler, såsom nye Higgs-bosoner eller mørkt stof, for eksempel til g-2," forklarede han.

Det lykkedes undersøgelsen at forklare uoverensstemmelsen, men for at forstå den er vi nødt til at tage et par skridt tilbage og starte igen med en noget mere detaljeret beskrivelse af muonen.

Myonen er en partikel, der hører til klassen af ​​leptoner, ligesom elektronen, men har en meget større masse. Af denne grund er den ustabil og overlever kun i meget kort tid i højenergisammenhæng. Når myoner interagerer med hinanden i nærvær af et magnetfelt, henfalder de og omgrupperer sig som en sky af andre partikler, såsom elektroner, positroner, W- og Z-bosoner, Higgs-bosoner og fotoner.

I eksperimenter er myoner derfor altid ledsaget af mange andre virtuelle partikler. Deres bidrag gør det faktiske magnetiske moment målt i eksperimenter større end det teoretiske magnetiske moment beregnet af Dirac-ligningen, som er lig med 2.

"For at opnå forskellen [g-2] er det nødvendigt at overveje alle disse bidrag – både dem, der er forudsagt af QCD [i standardmodellen for partikelfysik] og andre, der er mindre, men som optræder i eksperimentelle målinger med høj præcision. Vi kender flere af disse bidrag meget godt - men ikke dem alle," sagde Boito.

Effekterne af QCD stærk interaktion kan ikke beregnes teoretisk alene, da de i nogle energiregimer er upraktiske, så der er to muligheder. Den ene har været brugt i nogen tid og indebærer at ty til de eksperimentelle data opnået fra elektron-positron-kollisioner, som skaber andre partikler, der består af kvarker. Den anden er gitter QCD, som først blev konkurrencedygtig i det nuværende årti og indebærer simulering af den teoretiske proces i en supercomputer.

"Det største problem med at forudsige muon g-2 lige nu er, at resultatet opnået ved hjælp af data fra elektron-positron-kollisioner ikke stemmer overens med det samlede eksperimentelle resultat, mens resultaterne baseret på gitter QCD gør. Ingen var sikker på hvorfor, og vores undersøgelse afklarer en del af dette puslespil," sagde Boito.

Han og hans kolleger udførte deres forskning nøjagtigt for at løse dette problem. "Artiklen rapporterer resultaterne af en række undersøgelser, hvor vi udviklede en ny metode til at sammenligne resultaterne af gitter QCD-simuleringer med resultaterne baseret på eksperimentelle data. Vi viser, at det er muligt at udtrække fra de databidrag, der er beregnet i gitter med stor præcision - bidragene fra såkaldte forbundne Feynman-diagrammer," sagde han.

Den amerikanske teoretiske fysiker Richard Feynman (1918-1988) vandt 1965 Nobelprisen i fysik (med Julian Schwinger og Shin'ichiro Tomonaga) for grundlæggende arbejde inden for kvanteelektrodynamik og elementarpartiklers fysik. Feynman-diagrammer, skabt i 1948, er grafiske repræsentationer af de matematiske udtryk, der beskriver vekselvirkningen mellem sådanne partikler og bruges til at forenkle de respektive beregninger.

"I undersøgelsen fik vi for første gang bidragene fra forbundne Feynman-diagrammer i det såkaldte 'mellemenergivindue' med stor præcision. I dag har vi otte resultater for disse bidrag, opnået ved hjælp af gitter-QCD-simuleringer, og alle er enige i væsentlig grad. Desuden viser vi, at resultaterne baseret på elektron-positron-interaktionsdata ikke stemmer overens med disse otte resultater fra simuleringer," sagde Boito.

Dette gjorde det muligt for forskerne at lokalisere kilden til problemet og tænke over mulige løsninger. "Det blev klart, at hvis de eksperimentelle data for to-pion-kanalen er undervurderet af en eller anden grund, kan dette være årsagen til uoverensstemmelsen," sagde han. Pioner er mesoner – partikler, der består af en kvark og en antikvark, der produceres i højenergikollisioner.

Faktisk ser nye data (stadig peer-review) fra CMD-3-eksperimentet udført ved Novosibirsk State University i Rusland ud til at vise, at de ældste to-pion-kanaldata kan være blevet undervurderet af en eller anden grund.

Flere oplysninger: Genessa Benton et al., Datadrevet bestemmelse af den lys-kvark-forbundne komponent af mellemvinduets bidrag til Muon g−2, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.251803

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af FAPESP