Magnetyzm mionów może wskazywać na załamanie się standardowego modelu fizyki

Tajemnicza właściwość magnetyczna cząstek subatomowych zwanych mionami wskazuje, że nowe podstawowe cząstki mogą czaić się nieodkryte.

W bardzo precyzyjnym eksperymencie ruchy mionów w polu magnetycznym wydają się przeczyć przewidywaniom standardowego modelu fizyki cząstek, który opisuje znane podstawowe cząstki i siły. Wynik wzmacnia wcześniejsze dowody na to, że miony, ciężki krewny elektronów, zachowują się nieoczekiwanie.

„To bardzo ważna sprawa” – mówi fizyk teoretyczny Bhupal Dev z Washington University w St. Louis. „Może to być długo oczekiwany znak nowej fizyki, na którą wszyscy liczyliśmy”.

Złe zachowanie mionów może wskazywać na istnienie nowych typów cząstek, które zmieniają właściwości magnetyczne mionów. Miony zachowują się jak małe magnesy, każdy z biegunem północnym i południowym. Siła tego magnesu jest modyfikowana przez przejściowe cząstki kwantowe, które nieustannie wlatują i znikają, dostosowując magnetyzm mionu o wielkość znaną jako anomalia magnetyczna mionu. Fizycy mogą przewidzieć wartość anomalii magnetycznej, biorąc pod uwagę udział wszystkich znanych cząstek. Jeśli jakieś fundamentalne cząstki są w ukryciu, ich dodatkowy wpływ na anomalię magnetyczną może je zdradzić.

Miony i elektrony mają wspólne podobieństwo rodzinne, ale miony są około 200 razy masywniejsze. To sprawia, że ​​miony są bardziej wrażliwe na działanie hipotetycznych ciężkich cząstek. „Rodzaj mionu trafia w najlepsze miejsce” – mówi Aida El-Khadra z University of Illinois w Urbana-Champaign.

Aby zmierzyć magnetyczne subtelności mionu, fizycy rzucili miliardy cząstek wokół ogromnego magnesu w kształcie pierścienia w eksperymencie Muon g-2 w Fermilab w Batavia, Illinois. Wewnątrz tego magnesu orientacja biegunów magnetycznych mionów wahała się lub ulegała zmianom. Warto zauważyć, że tempo tej precesji nieznacznie odbiegało od oczekiwań modelu standardowego – donoszą fizycy 7 kwietnia na wirtualnym seminarium oraz w artykule opublikowanym w Physical Review Letters.

„To naprawdę złożony eksperyment” – mówi Tsutomu Mibe z organizacji badawczej KEK High Energy Accelerator Research w Japonii. „To doskonała robota”.

Aby uniknąć stronniczości, zespół pracował w tajemnicy narzuconej przez siebie, ukrywając przed sobą ostateczną liczbę podczas analizowania danych. W tej chwili odpowiedź została w końcu ujawniona, mówi fizyk Meghna Bhattacharya z University of Mississippi w Oksfordzie, „Miałam gęsią skórkę”. Naukowcy odkryli mionową anomalię magnetyczną wynoszącą 0,00116592040, z dokładnością do 46 milionowych części procenta. Teoretyczne prognozy ustalają liczbę na poziomie 0,00116591810. Ta rozbieżność „wskazuje na nową fizykę” – mówi Bhattacharya.

Poprzedni pomiar tego typu, z eksperymentu zakończonego w 2001 roku w Brookhaven National Laboratory w Upton w stanie Nowy Jork, również wydawał się nie zgadzać z przewidywaniami teoretycznymi. Kiedy nowy wynik jest połączony z wcześniejszą rozbieżnością, pomiar odbiega od prognozy o miarę statystyczną 4,2 sigma – kusząco zbliżoną do typowego wzorca 5-sigma dla stwierdzenia odkrycia. „Musimy poczekać na więcej danych z eksperymentu Fermilab, aby naprawdę przekonać się, że jest to prawdziwe odkrycie, ale staje się ono coraz bardziej interesujące” – mówi fizyk teoretyczny Carlos Wagner z University of Chicago.

Tajemnica mionów

Nowy pomiar (kolor czerwony) anomalii magnetycznej mionu jest zgodny z pomiarem wcześniejszym (kolor niebieski). Uśrednione pomiary (fioletowe) i przewidywania teoretyczne (zielone) nie zgadzają się ze względu na miarę statystyczną 4,2 sigma, co sugeruje, że w grę wchodzą nieznane efekty fizyczne. Rozbieżność pięciu sigma jest uważana za wystarczającą do stwierdzenia odkrycia.

B. ABI I IN. / PRL 2021

Zgodnie z fizyką kwantową miony nieustannie emitują i pochłaniają cząstki w szale, co sprawia, że ​​teoretyczne obliczenia anomalii magnetycznej są niezwykle skomplikowane. Międzynarodowy zespół ponad 170 fizyków, któremu współprzewodniczy El-Khadra, sfinalizował teoretyczne prognozy w grudniu 2020 r. w Physics Reports.

Wielu fizyków uważa, że ​​te teoretyczne przewidywania są solidne i mało prawdopodobne, aby ustąpiły po dalszych badaniach. Ale jakaś debata trwa. Fizyk Zoltan Fodor i współpracownicy donoszą 7 kwietnia w Nature, używając techniki obliczeniowej zwanej kratownicową QCD dla szczególnie trudnej części obliczeń, która daje oszacowanie bliższe wartości zmierzonej eksperymentalnie. Jeśli obliczenia Fodora i współpracowników są poprawne, „może to zmienić sposób, w jaki postrzegamy eksperyment”, mówi Fodor z Pennsylvania State University, być może ułatwiając wyjaśnienie wyników eksperymentów za pomocą modelu standardowego. Ale zauważa, że ​​przewidywania jego zespołu musiałyby zostać potwierdzone przez inne obliczenia, zanim zostaną potraktowane tak poważnie, jak prognoza „złotego standardu”.

W miarę jak fizycy teoretyczni nadal udoskonalają swoje przewidywania, poprawią się również szacunki doświadczalne: fizycy mionów g-2 (wymawiane gee-minus-two) do tej pory przeanalizowali tylko ułamek swoich danych. Mibe i współpracownicy planują eksperyment z użyciem innej techniki w J-PARC, japońskim kompleksie badawczym akceleratora protonów w Tokai, który rozpocznie się w 2025 r.

Jeśli rozbieżność między eksperymentem a prognozą się utrzyma, naukowcy będą musieli znaleźć wyjaśnienie wykraczające poza standardowy model. Fizycy już uważają, że model standardowy nie jest w stanie wyjaśnić wszystkiego, co istnieje: Wszechświat wydaje się być na przykład przesiąknięty niewidzialną ciemną materią, której cząsteczki modelu standardowego nie mogą wyjaśnić.

Niektórzy fizycy spekulują, że wyjaśnienie magnetycznej anomalii mionów może być powiązane ze znanymi zagadkami fizyki cząstek. Na przykład nowa cząstka może jednocześnie wyjaśniać ciemną materię i wynik w Muon g-2. Albo może istnieć związek z nieoczekiwanymi cechami pewnych rozpadów cząstek zaobserwowanych w eksperymencie LHCb w laboratorium fizyki cząstek CERN pod Genewą, ostatnio wzmocniony przez nowe wyniki opublikowane 22 marca na arXiv.org.

Pomiar Muon g-2 zintensyfikuje takie badania, mówi fizyk Muon g-2 Jason Crnkovic z University of Mississippi. „To ekscytujący wynik, ponieważ spowoduje wiele rozmów”.

Źródło: Emily Conover

B. Abi et alMeasurement of the positive muon anomalous magnetic moment to 0.46 ppmPhysical Review Letters. Published online April 7, 2021. doi: 10.1103/PhysRevLett.126.141801

K. Pitts, A. El-Khadra and C. Polly. First results from the Muon g-2 experiment at Fermilab. Fermilab Theoretical Physics Department seminar, April 7, 2021.

Sz. Borsanyi et alLeading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCDNature. Published online April 7, 2021. doi:  10.1038/s41586-021-03418-1

T. Aoyama et alThe anomalous magnetic moment of the muon in the standard modelPhysics Reports. Vol. 887, December 3, 2020, p. 1. doi: 10.1016/j.physrep.2020.07.006.

Zdjęcie: FERMILAB

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x