Πώς το δεκαδικό ψηφίο θα μπορούσε να επαναπροσδιορίσει τη φυσική

Οι ερευνητές έχουν εντοπίσει την προέλευση των αποκλίσεων στις πρόσφατες προβλέψεις της μαγνητικής ροπής του μιονίου. Τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να συμβάλουν στη μελέτη της σκοτεινής ύλης και άλλων πτυχών της νέας φυσικής.

Η μαγνητική ροπή είναι μια εγγενής ιδιότητα ενός περιστρεφόμενου σωματιδίου, που προκύπτει από την αλληλεπίδραση μεταξύ του σωματιδίου και ενός μαγνήτη ή άλλου αντικειμένου με μαγνητικό πεδίο. Όπως η μάζα και το ηλεκτρικό φορτίο, η μαγνητική ροπή είναι ένα από τα θεμελιώδη μεγέθη στη φυσική. Υπάρχει διαφορά μεταξύ της θεωρητικής τιμής της μαγνητικής ροπής του μιονίου, ενός σωματιδίου που ανήκει στην ίδια κατηγορία με το ηλεκτρόνιο, και των τιμών που λαμβάνονται σε πειράματα υψηλής ενέργειας που διεξάγονται σε επιταχυντές σωματιδίων.

Η διαφορά εμφανίζεται μόνο στο όγδοο δεκαδικό ψηφίο, αλλά οι επιστήμονες ενδιαφέρονται γι' αυτήν από την ανακάλυψή της το 1948. Δεν είναι λεπτομέρεια: θα μπορούσε να υποδείξει εάν το μιόνιο αλληλεπιδρά με σωματίδια σκοτεινής ύλης ή άλλα μποζόνια Higgs ή ακόμα και αν είναι άγνωστο . Στην επιχείρηση αυτή συμμετέχουν στρατεύματα.

Ασυνέπειες στη μαγνητική ροπή του μιονίου

Η θεωρητική τιμή της μαγνητικής ροπής του μιονίου, που αντιπροσωπεύεται από το γράμμα g, δίνεται από την εξίσωση Dirac – που διατυπώθηκε από τον Άγγλο φυσικό και βραβευμένο με Νόμπελ το 1933 Paulo Dirac (1902-1984), έναν από τους ιδρυτές της κβαντικής μηχανικής και της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής. – ως 2. Ωστόσο, τα πειράματα έδειξαν ότι το g δεν είναι ακριβώς 2, και υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την κατανόηση του “g-2”, δηλαδή της διαφοράς μεταξύ της πειραματικής τιμής και της τιμής που προβλέπεται από την εξίσωση Dirac. Η καλύτερη πειραματική τιμή που είναι διαθέσιμη αυτή τη στιγμή, που ελήφθη με εκπληκτικό βαθμό ακρίβειας στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi (Fermilab) στις ΗΠΑ και ανακοινώθηκε τον Αύγουστο του 2023, είναι 2,00116592059, με εύρος αβεβαιότητας συν ή πλην 0,00000000022.

«Ο ακριβής προσδιορισμός της μαγνητικής ροπής του μιονίου έχει γίνει μείζον ζήτημα στη σωματιδιακή φυσική, επειδή η διερεύνηση αυτού του χάσματος μεταξύ των πειραματικών δεδομένων και της θεωρητικής πρόβλεψης μπορεί να δώσει πληροφορίες που μπορούν να οδηγήσουν στην ανακάλυψη μερικών εκπληκτικών νέων επιδράσεων», δήλωσε ο φυσικός Ντιόγκο Μπόιτο, καθηγητής στο το Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου του Σάο Κάρλος Σάο Πάολο (IFSC-USP) στο FAPESP.

Ένα άρθρο σχετικά με αυτό το θέμα από τον Boito και τους συνεργάτες του δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Επιστολές φυσικής ανασκόπησης.

Νέα στοιχεία από την έρευνα

“Τα αποτελέσματά μας παρουσιάστηκαν σε δύο σημαντικές διεθνείς εκδηλώσεις. Πρώτα από εμένα κατά τη διάρκεια ενός εργαστηρίου στη Μαδρίτη της Ισπανίας και στη συνέχεια από τον συνάδελφό μου Martin Goltermann από το Κρατικό Πανεπιστήμιο του Σαν Φρανσίσκο σε μια συνάντηση στη Βέρνη της Ελβετίας”, είπε ο Boito.

Αυτά τα αποτελέσματα προσδιορίζουν και υποδεικνύουν την προέλευση της διαφοράς μεταξύ των δύο μεθόδων που χρησιμοποιούνται για να γίνουν οι τρέχουσες προβλέψεις για το μιόνιο g-2. «Υπάρχουν επί του παρόντος δύο μέθοδοι για τον προσδιορισμό της θεμελιώδους συνιστώσας του g-2. Η πρώτη βασίζεται σε πειραματικά δεδομένα και η δεύτερη σε προσομοιώσεις υπολογιστή της κβαντικής χρωμοδυναμικής ή QCD, η θεωρία που μελετά τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κουάρκ. Αυτές οι δύο μέθοδοι οδηγήσει σε πολύ διαφορετικά αποτελέσματα, το οποίο είναι μεγάλο πρόβλημα.» Εξήγησε ότι μέχρι να λυθεί αυτό το πρόβλημα, δεν μπορούμε να ερευνήσουμε τη συμβολή πιθανών εξωτικών σωματιδίων όπως τα νέα μποζόνια Higgs ή η σκοτεινή ύλη, για παράδειγμα, στο g-2.

Η μελέτη εξηγεί με επιτυχία αυτή την ασυμφωνία, αλλά για να την κατανοήσουμε πρέπει να κάνουμε μερικά βήματα πίσω και να ξεκινήσουμε από την αρχή με μια κάπως πιο λεπτομερή περιγραφή του μιονίου.

Δαχτυλίδι αποθήκευσης Muon στο Fermilab. Πίστωση: Reidar Hahn, Fermilab

Το μιόνιο είναι ένα σωματίδιο που ανήκει στην κατηγορία των λεπτονίων, όπως συμβαίνει με ένα ηλεκτρόνιο, αλλά έχει πολύ μεγαλύτερη μάζα. Για το λόγο αυτό, είναι ασταθές και επιβιώνει μόνο για πολύ μικρό χρονικό διάστημα σε περιβάλλον υψηλής ενέργειας. Όταν τα μιόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους παρουσία μαγνητικού πεδίου, διασπώνται και επανασυναρμολογούνται ως νέφος άλλων σωματιδίων, όπως ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, μποζόνια W και Z, μποζόνια Higgs και φωτόνια. Επομένως, στα πειράματα, τα μιόνια συνοδεύονται πάντα από πολλά άλλα εικονικά σωματίδια. Η συμβολή τους καθιστά την πραγματική μαγνητική ροπή που μετρήθηκε στα πειράματα μεγαλύτερη από τη θεωρητική μαγνητική ροπή που υπολογίζεται από την εξίσωση Dirac, η οποία είναι ίση με 2.

Για να πάρετε τη διαφορά [g-2]είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη όλες αυτές οι συνεισφορές – τόσο αυτές που προβλέπονται από το QCD [in the Standard Model of particle physics] Άλλα είναι μικρότερα σε μέγεθος αλλά εμφανίζονται σε πειραματικές μετρήσεις υψηλής ακρίβειας. «Γνωρίζουμε καλά πολλές από αυτές τις συνεισφορές, αλλά όχι όλες», είπε ο Boito.

Τα ισχυρά αποτελέσματα αλληλεπίδρασης του QCD δεν μπορούν να υπολογιστούν μόνο θεωρητικά, καθώς δεν είναι πρακτικά σε ορισμένα ενεργειακά συστήματα, επομένως υπάρχουν δύο πιθανότητες. Το ένα χρησιμοποιείται εδώ και αρκετό καιρό και περιλαμβάνει την καταφυγή σε πειραματικά δεδομένα που λαμβάνονται από συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, τα οποία δημιουργούν άλλα σωματίδια που αποτελούνται από κουάρκ. Το άλλο είναι το lattice QCD, το οποίο έχει γίνει ανταγωνιστικό μόλις την τρέχουσα δεκαετία και συνεπάγεται προσομοίωση της θεωρητικής διαδικασίας σε έναν υπερυπολογιστή.

“Το κύριο πρόβλημα στην πρόβλεψη του μιονίου g-2 αυτή τη στιγμή είναι ότι το αποτέλεσμα που λήφθηκε χρησιμοποιώντας δεδομένα από συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων δεν συμφωνεί με το συνολικό πειραματικό αποτέλεσμα, ενώ τα αποτελέσματα που βασίζονται στο πλέγμα QCD συμφωνούν. Δεν ήταν”, είπε ο Boito. «Κανείς δεν είναι σίγουρος γιατί, και η μελέτη μας εξηγεί μέρος αυτού του παζλ».

Αυτός και οι συνάδελφοί του διεξήγαγαν την έρευνά τους ειδικά για να λύσουν αυτό το πρόβλημα. “Το άρθρο αναφέρει τα αποτελέσματα μιας σειράς μελετών στις οποίες αναπτύξαμε μια νέα μέθοδο για τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων QCD πλέγματος με αποτελέσματα που βασίζονται σε πειραματικά δεδομένα. “Έχουμε δείξει ότι είναι δυνατό να εξαχθούν με μεγάλη ακρίβεια οι συνεισφορές των υπολογιστών δεδομένα στο πλέγμα – συνεισφορές των λεγόμενων συνεχών διαγραμμάτων Feynman», είπε.

Ο Αμερικανός θεωρητικός φυσικός Richard Feynman (1918-1988) κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 1965 (μαζί με τους Julian Schwinger και Shinichiro Tomonaga) για το θεμελιώδες έργο του στην κβαντική ηλεκτροδυναμική και τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Τα διαγράμματα Feynman, που δημιουργήθηκαν το 1948, είναι γραφικές αναπαραστάσεις μαθηματικών εκφράσεων που περιγράφουν την αλληλεπίδραση αυτών των σωματιδίων και χρησιμοποιούνται για την απλοποίηση των σχετικών υπολογισμών.

“Σε αυτή τη μελέτη, λάβαμε τη συμβολή των συνεχών διαγραμμάτων Feynman στο λεγόμενο “μέσο ενεργειακό παράθυρο” με μεγάλη ακρίβεια για πρώτη φορά. Σήμερα έχουμε οκτώ αποτελέσματα για αυτές τις συνεισφορές, που προέκυψαν από προσομοιώσεις QCD πλέγματος και είναι όλα Επιπλέον, έχουμε δείξει Τα αποτελέσματα που βασίζονται στα δεδομένα αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου δεν συμφωνούν με αυτά τα οκτώ αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις.

Αυτό έδωσε τη δυνατότητα στους ερευνητές να εντοπίσουν την πηγή του προβλήματος και να σκεφτούν πιθανές λύσεις. «Έγινε σαφές ότι εάν τα πειραματικά δεδομένα για το κανάλι δύο πιονών υποτιμήθηκαν για κάποιο λόγο, αυτός θα μπορούσε να είναι ο λόγος για την απόκλιση», είπε. Τα πιόνια είναι μεσόνια, σωματίδια που αποτελούνται από κουάρκ και αντικουάρκ που παράγονται σε συγκρούσεις υψηλής ενέργειας.

Στην πραγματικότητα, νέα δεδομένα (ακόμα υπό εξέταση από ομοτίμους) από Εμπειρία CMD-3 Αυτή η μελέτη που διεξήχθη στο κρατικό πανεπιστήμιο του Νοβοσιμπίρσκ στη Ρωσία φαίνεται να δείχνει ότι τα παλαιότερα δεδομένα καναλιών διπιονίων μπορεί να έχουν υποτιμηθεί για κάποιο λόγο.

Αναφορά: «Προσδιορισμός βάσει δεδομένων της συνιστώσας ελαφρού κουάρκ της μέσης συνεισφοράς παραθύρου στο μιόνιο g−2«Του Jenessa Benton, Diogo Boito, Martin Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman και Santiago Pires, 21 Δεκεμβρίου 2023, Επιστολές φυσικής ανασκόπησης.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

Η συμμετοχή του Boito στη μελέτη ήταν μέρος του έργου του «Testing the Standard Model: Precision QCD and muon g-2», για το οποίο η FAPESP του απένειμε επιχορήγηση Phase II Young Investigator.