Mokslininkai nustatė neatitikimų kilmę naujausiose miuono magnetinio momento prognozėse. Jų išvados galėtų padėti tirti tamsiąją medžiagą ir kitus naujosios fizikos aspektus.

Magnetinis momentas yra būdinga besisukančios dalelės savybė, atsirandanti dėl sąveikos tarp dalelės ir magneto ar kito objekto, turinčio magnetinį lauką. Kaip ir masė ir elektros krūvis, magnetinis momentas yra vienas iš pagrindinių fizikos dydžių. Yra skirtumas tarp teorinės miuono, dalelės, priklausančios tai pačiai klasei kaip elektronas, magnetinio momento vertės ir verčių, gautų atliekant didelės energijos eksperimentus dalelių greitintuvuose.

Skirtumas matomas tik aštuntosios skaitmens po kablelio tikslumu, tačiau mokslininkai juo domisi nuo pat jo atradimo 1948 m. Tai nėra detalė: tai gali parodyti, ar miuonas sąveikauja su tamsiosios medžiagos dalelėmis ar kitais Higgso bozonais, ar net nežinoma. . Šioje operacijoje dalyvauja kariai.

Miuono magnetinio momento neatitikimai

Teorinė miuono magnetinio momento vertė, pavaizduota raide g, pateikiama pagal Dirako lygtį, kurią suformulavo anglų fizikas ir 1933 m. Nobelio premijos laureatas Paulo Diracas (1902-1984), vienas iš kvantinės mechanikos ir kvantinės elektrodinamikos įkūrėjų. – kaip 2. Tačiau eksperimentai parodė, kad g nėra tiksliai 2 ir yra labai įdomu suprasti „g-2“, ty skirtumą tarp eksperimentinės vertės ir vertės, numatytos pagal Dirako lygtį. Geriausia šiuo metu turima eksperimentinė vertė, stulbinamu tikslumu gauta Fermi nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje (Fermilab) JAV ir paskelbta 2023 m. rugpjūčio mėn., yra 2,00116592059, o neapibrėžties diapazonas yra plius arba minus 0,00000000022.

„Tikslus miuono magnetinio momento nustatymas tapo pagrindine dalelių fizikos problema, nes ištyrus šį atotrūkį tarp eksperimentinių duomenų ir teorinių prognozių galima gauti informacijos, kuri gali padėti atrasti kai kuriuos nuostabius naujus efektus“, – sakė fizikas Diogo Boito. San Karloso universiteto Fizikos institutas San Paulas (IFSC-USP) į FAPESP.

Žurnale buvo paskelbtas Boito ir jo bendradarbių straipsnis šia tema Fizinės apžvalgos laiškai.

Naujos įžvalgos iš tyrimų

„Mūsų rezultatai buvo pristatyti dviejuose svarbiuose tarptautiniuose renginiuose. Pirmiausia aš per seminarą Madride, Ispanijoje, o paskui mano kolega Martinas Goltermanas iš San Francisko valstybinio universiteto susitikime Berne, Šveicarijoje”, – sakė Boito.

Šie rezultatai nustato ir nurodo neatitikimo tarp dviejų metodų, naudojamų dabartinėms miuono g-2 prognozėms, kilmę. „Šiuo metu yra du pagrindiniai g-2 komponento nustatymo metodai. Pirmasis yra pagrįstas eksperimentiniais duomenimis, o antrasis yra kompiuterinis kvantinės chromodinamikos arba QCD, teorijos, tiriančios stiprią kvarkų sąveiką, modeliavimu. Šie du metodai Jis paaiškino, kad kol ši problema nebus išspręsta, negalime ištirti galimų egzotinių dalelių, tokių kaip nauji Higso bozonai ar tamsioji medžiaga, pavyzdžiui, g-2.

Tyrimas sėkmingai paaiškina šį neatitikimą, tačiau norėdami jį suprasti, turime žengti kelis žingsnius atgal ir pradėti nuo šiek tiek išsamesnio miuono aprašymo.

Muon saugojimo žiedas Fermilab. Kreditas: Reidar Hahn, „Fermilab“.

Miuonas yra dalelė, priklausanti leptonų klasei, kaip ir elektrono atveju, tačiau ji turi daug didesnę masę. Dėl šios priežasties jis yra nestabilus ir tik labai trumpą laiką išgyvena didelės energijos kontekste. Kai miuonai sąveikauja vienas su kitu esant magnetiniam laukui, jie suyra ir vėl susirenka kaip debesis kitų dalelių, tokių kaip elektronai, pozitronai, W ir Z bozonai, Higso bozonai ir fotonai. Todėl eksperimentuose miuonus visada lydi daugybė kitų virtualių dalelių. Dėl jų indėlis faktinis magnetinis momentas, išmatuotas atliekant eksperimentus, yra didesnis nei teorinis magnetinis momentas, apskaičiuotas pagal Dirako lygtį, kuris yra lygus 2.

„Dėl skirtumo [g-2]būtina atsižvelgti į visus šiuos įnašus – tiek į tuos, kuriuos numatė QCD [in the Standard Model of particle physics] Kiti yra mažesnio dydžio, bet pasirodo atliekant didelio tikslumo eksperimentinius matavimus. „Mes gerai žinome daugelį šių indėlių, bet ne visus“, – sakė Boito.

QCD stiprios sąveikos efektai negali būti apskaičiuoti vien teoriškai, nes kai kuriose energijos sistemose jie yra nepraktiški, todėl yra dvi galimybės. Vienas buvo naudojamas jau kurį laiką ir apima eksperimentinius duomenis, gautus iš elektronų ir pozitronų susidūrimų, kurie sukuria kitas daleles, sudarytas iš kvarkų. Kitas yra grotelių QCD, kuris tapo konkurencingas tik per šį dešimtmetį ir apima teorinio proceso modeliavimą superkompiuteryje.

„Pagrindinė problema numatant miuoną g-2 šiuo metu yra ta, kad rezultatas, gautas naudojant elektronų ir pozitronų susidūrimų duomenis, nesutampa su bendru eksperimento rezultatu, o rezultatai, pagrįsti gardelės QCD, sutampa. Taip nebuvo”, – sakė Boito. „Niekas nežino, kodėl, ir mūsų tyrimas paaiškina šio galvosūkio dalį.”

Jis ir jo kolegos atliko savo tyrimus specialiai šiai problemai išspręsti. „Straipsnyje pateikiami daugelio tyrimų, kuriuose sukūrėme naują metodą, skirtą palyginti gardelės QCD modeliavimo rezultatus su eksperimentiniais duomenimis pagrįstus rezultatus, rezultatus. duomenis į gardelę – vadinamųjų kontinuumo Feynmano diagramų įnašus“, – sakė jis.

Amerikiečių fizikas teorinis Richardas Feynmanas (1918–1988) 1965 m. laimėjo Nobelio fizikos premiją (kartu su Julianu Schwingeriu ir Shinichiro Tomonaga) už pagrindinius darbus kvantinės elektrodinamikos ir elementariųjų dalelių fizikos srityse. Feynmano diagramos, sukurtos 1948 m., yra grafinės matematinių išraiškų, apibūdinančių šių dalelių sąveiką, vaizdinės ir naudojamos supaprastinti skaičiavimus.

„Šiame tyrime pirmą kartą labai tiksliai gavome nuolatinių Feynmano diagramų įnašus į vadinamąjį „vidutinės energijos langelį”. Šiandien turime aštuonis šių indėlių rezultatus, gautus grotelių QCD modeliavimu, ir jie visi yra Be to, mes parodėme, kad rezultatai, pagrįsti elektronų ir pozitronų sąveikos duomenimis, nesutampa su šiais aštuoniais modeliavimo rezultatais.

Tai leido tyrėjams nustatyti problemos šaltinį ir pagalvoti apie galimus sprendimus. „Paaiškėjo, kad jei eksperimentiniai dviejų pionų kanalo duomenys dėl kokių nors priežasčių buvo neįvertinti, tai gali būti neatitikimo priežastis“, – sakė jis. Pionai yra mezonai, dalelės, sudarytos iš kvarkų ir antikvarkų, susidarančių didelės energijos susidūrimų metu.

Tiesą sakant, nauji duomenys (vis dar peržiūrimi) iš CMD-3 patirtis Šis tyrimas, atliktas Novosibirsko valstybiniame universitete Rusijoje, rodo, kad seniausi dvejetainio kanalo duomenys galėjo būti neįvertinti dėl priežasties.

Nuoroda: „Duomenimis pagrįstas vidutinio lango indėlio į miuoną šviesos kvarko komponento nustatymas g−2„Jenessa Benton, Diogo Boito, Martin Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman ir Santiago Pires, 2023 m. gruodžio 21 d. Fizinės apžvalgos laiškai.
doi: 10.1103 / PhysRevLett.131.251803

Boito dalyvavimas tyrime buvo jo projekto „Standartinio modelio testavimas: tikslumas QCD ir miuonas g-2“ dalis, už kurį FAPESP jam suteikė II fazės jaunojo tyrėjo stipendiją.