Ako by jedno desatinné miesto mohlo predefinovať fyziku

Výskumníci identifikujú pôvod nezrovnalostí v nedávnych predpovediach magnetického momentu miónu. Ich zistenia by mohli prispieť k skúmaniu temnej hmoty a ďalších aspektov novej fyziky.

Magnetický moment je vnútorná vlastnosť častice so spinom, ktorá vzniká interakciou častice a magnetu alebo iného objektu s magnetickým poľom. Rovnako ako hmotnosť a elektrický náboj, aj magnetický moment je jednou zo základných veličín fyziky. Existuje rozdiel medzi teoretickou hodnotou magnetického momentu miónu, častice, ktorá patrí do rovnakej triedy ako elektrón, a hodnotami získanými pri vysokoenergetických experimentoch uskutočňovaných v urýchľovačoch častíc.

Rozdiel je viditeľný len na ôsme desatinné miesto, no vedci sa oň zaujímajú už od jeho objavu v roku 1948. Toto nie je vysvetlenie: môže to naznačovať, či mión interaguje s časticami tmavej hmoty alebo inými Higgsovými bozónmi, alebo sú do procesu zapojené aj neznáme sily.

Anomálie v magnetickom momente miónu

Teoretickú hodnotu magnetického momentu miónu, označovaného písmenom g, udáva Diracova rovnica, ktorú vypracoval anglický fyzik a nositeľ Nobelovej ceny za rok 1933 Paulo Dirac (1902–1984), jeden zo zakladateľov kvantovej mechaniky a kvantovej elektrodynamiky. je formulovaný ako – ako 2. Experimenty však ukázali, že g v skutočnosti nie je 2 a existuje veľký záujem o pochopenie „g-2“, t. j. rozdielu medzi experimentálnou hodnotou a hodnotou predpovedanou Diracovou rovnicou. Najlepšia experimentálna hodnota, ktorá je v súčasnosti k dispozícii, získaná s pôsobivým stupňom presnosti vo Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) v Spojených štátoch a oznámená v auguste 2023, je 2,00116592059 s rozsahom neistoty plus alebo mínus 0,00000000022.

„Presné určenie magnetického momentu miónu sa stalo dôležitou otázkou v časticovej fyzike, pretože skúmanie tejto medzery medzi experimentálnymi údajmi a teoretickými predpoveďami môže poskytnúť informácie, ktoré môžu viesť k objavu niektorých veľkolepých nových efektov,“ hovorí fyzik Diogo. Boito , profesor Fyzikálneho inštitútu São Carlos (IFSC-USP) na univerzite v São Paule, povedal pre Agênciu FAPESP.

V časopise bol publikovaný článok Boita a kolegov na túto tému fyzický recenzný papier,

Nové poznatky z výskumu

„Naše výsledky boli prezentované na dvoch významných medzinárodných podujatiach. „Najprv mnou počas workshopu v Madride v Španielsku a neskôr mojím kolegom Maartenom Goltermannom zo Štátnej univerzity v San Franciscu na stretnutí v Berne vo Švajčiarsku,“ povedal Boito.

Tieto výsledky kvantifikujú a poukazujú na pôvod nezrovnalostí medzi dvoma metódami používanými na vytvorenie súčasných predpovedí miónu g-2. „V súčasnosti existujú dve metódy na určenie elementárneho zloženia G-2. Prvá je založená na experimentálnych údajoch a druhá je založená na počítačových simuláciách kvantovej chromodynamiky alebo QCD, teórie, ktorá študuje silné interakcie medzi kvarkami. Tieto dve metódy dávajú úplne odlišné výsledky, čo je veľký problém. Kým sa to nevyrieši, nemôžeme skúmať príspevok možných exotických častíc, ako je nový Higgsov bozón alebo tmavá hmota, napríklad v G-2,'' vysvetlil.

Štúdia bola úspešná vo vysvetlení nezrovnalosti, ale aby sme to pochopili, musíme urobiť pár krokov späť a začať znova s ​​trochu podrobnejším popisom miónu.

Zásobný krúžok miónov vo Fermilabe. Poďakovanie: Reidar Hahn, Fermilab

Mión je častica, ktorá patrí do triedy leptónov ako elektrón, ale jej hmotnosť je oveľa väčšia. Z tohto dôvodu je nestabilný a vo vysokoenergetickom kontexte je krátkodobý. Keď mióny vzájomne interagujú v prítomnosti magnetického poľa, rozpadajú sa a rekombinujú ako oblaky iných častíc, ako sú elektróny, pozitróny, W a Z bozóny, Higgsove bozóny a fotóny. Preto sú pri experimentoch mióny vždy sprevádzané mnohými ďalšími virtuálnymi časticami. Ich príspevok spôsobuje, že skutočný magnetický moment nameraný v experimentoch je väčší ako teoretický magnetický moment vypočítaný Diracovou rovnicou, ktorý sa rovná 2.

„Aby som pochopil rozdiel [g-2]Je potrebné zvážiť všetky tieto príspevky – obidva predpovedá QCD [in the Standard Model of particle physics] a ďalšie, ktoré sú menšie, ale viditeľné pri vysoko presných experimentálnych meraniach. Mnohé z týchto príspevkov dobre poznáme – ale nie všetky,“ povedal Boito.

Účinky silnej interakcie QCD nemožno teoreticky vypočítať samostatne, pretože sú v niektorých energetických režimoch nepraktické, takže existujú dve možnosti. Jeden sa používa už nejaký čas a zahŕňa experimentálne údaje získané zo zrážok elektrónov a pozitrónov, ktoré vytvárajú ďalšie častice zložené z kvarkov. Druhým je mriežkový QCD, ktorý sa stal konkurencieschopným až v súčasnom desaťročí a zahŕňa simuláciu teoretického procesu v superpočítačoch.

„Hlavným problémom pri predpovedaní miónu g-2 práve teraz je to, že výsledky získané pomocou údajov zo zrážok elektrónov a pozitrónov nesúhlasia s celkovým výsledkom experimentu, zatiaľ čo výsledky založené na mriežke QCD súhlasia. Nikto si nebol istý prečo a naša štúdia objasňuje časť hádanky,“ povedal Boito.

On a jeho kolegovia vykonali vlastný výskum, aby presne vyriešili tento problém. „Článok uvádza zistenia niekoľkých štúdií, v ktorých sme vyvinuli novú metódu na porovnanie výsledkov mriežkových QCD simulácií s experimentálnymi údajmi. „Ukazujeme, že je možné s veľkou presnosťou extrahovať príspevky údajov vypočítané v mriežke – príspevky takzvaných spojených Feynmanových diagramov,“ povedal.

Americký teoretický fyzik Richard Feynman (1918 – 1988) získal v roku 1965 Nobelovu cenu za fyziku (s Julianom Schwingerom a Shinichirom Tomonagom) za základnú prácu v kvantovej elektrodynamike a fyzike elementárnych častíc. Feynmanove diagramy, vytvorené v roku 1948, sú grafickým znázornením matematických výrazov, ktoré opisujú interakcie takýchto častíc a používajú sa na zjednodušenie súvisiacich výpočtov.

„V štúdii sme po prvýkrát s veľkou presnosťou získali príspevok spojených Feynmanových diagramov v takzvanom 'intermediálnom energetickom okne'. Dnes máme pre tieto príspevky osem výsledkov získaných prostredníctvom mriežkových QCD simulácií a všetky do značnej miery súhlasia. „Okrem toho ukazujeme, že výsledky založené na údajoch o interakcii elektrón-pozitrón nesúhlasia s týmito ôsmimi výsledkami simulácií,“ povedal Boito.

To pomohlo výskumníkom nájsť zdroj problému a premýšľať o možných riešeniach. „Bolo jasné, že ak boli z nejakého dôvodu experimentálne údaje pre dvojpiónový kanál podhodnotené, mohlo by to byť dôvodom nezrovnalosti,“ povedal. Pióny sú mezóny – častice zložené z kvarkov a antikvarkov vznikajúcich pri zrážkach s vysokou energiou.

V skutočnosti nové údaje (stále sú recenzované). Experiment CMD-3 Prieskum uskutočnený na Štátnej univerzite v Novosibirsku v Rusku ukazuje, že údaje o najstarších dvojpiónových kanáloch boli z nejakého dôvodu podhodnotené.

Odkaz: „Dátovo riadené určenie zložky spojenej so svetlom a kvarkom v príspevku medziľahlého okna k miónom g-2Autori: Janessa Benton, Diogo Boito, Maarten Goltermann, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman a Santiago Paris, 21. decembra 2023, fyzický recenzný papier,
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

Boitova účasť na štúdii bola súčasťou jeho projektu „Testovanie štandardného modelu: Presné QCD a Muon g-2“, za ktorý mu FAPESP udelil grant pre mladých výskumníkov 2. fázy.