Како би децимално место могло редефинисати физику

Истраживачи су идентификовали порекло неслагања у недавним предвиђањима магнетног момента миона. Њихови налази могли би да допринесу проучавању тамне материје и других аспеката нове физике.

Магнетни момент је суштинска особина честице која се окреће, а настаје интеракцијом између честице и магнета или другог објекта са магнетним пољем. Као маса и електрични набој, магнетни момент је једна од основних величина у физици. Постоји разлика између теоријске вредности магнетног момента миона, честице која припада истој класи као електрон, и вредности добијених у високоенергетским експериментима спроведеним у акцелераторима честица.

Разлика се појављује само до осме децимале, али научници су заинтересовани за њу од његовог открића 1948. То није детаљ: могао би да укаже на то да ли мион ступа у интеракцију са честицама тамне материје или другим Хигсовим бозонима, или чак да ли је непознат . У овој операцији учествују трупе.

Недоследности у магнетном моменту миона

Теоријску вредност магнетног момента миона, представљеног словом г, даје Диракова једначина – коју је формулисао енглески физичар и добитник Нобелове награде из 1933. Пауло Дирак (1902-1984), један од оснивача квантне механике и квантне електродинамике. – као 2. Међутим, експерименти су показали да г није тачно 2, и постоји велики интерес за разумевање „г-2“, односно разлике између експерименталне вредности и вредности предвиђене Дираковом једначином. Најбоља експериментална вредност која је тренутно доступна, добијена са запањујућим степеном прецизности у Ферми националној акцелераторској лабораторији (Фермилаб) у САД и објављена у августу 2023., је 2,00116592059, са опсегом несигурности од плус или минус 0,00000000022.

„Прецизно одређивање магнетног момента миона постало је главно питање у физици честица јер истраживање овог јаза између експерименталних података и теоријских предвиђања може пружити информације које могу довести до открића неких невероватних нових ефеката“, рекао је физичар Диого Боито, професор на Институт за физику Универзитета Сао Карлос, Сао Пауло (ИФСЦ-УСП) до ФАПЕСП.

У часопису је објављен чланак на ову тему Боитоа и његових сарадника Писма о физичком прегледу.

Нови увиди из истраживања

„Наши резултати су представљени на два важна међународна догађаја. Прво сам ја током радионице у Мадриду, Шпанија, а затим мој колега Мартин Голтерман са Државног универзитета Сан Франциска на састанку у Берну, Швајцарска“, рекао је Боито.

Ови резултати идентификују и указују на порекло неслагања између две методе које се користе за прављење тренутних предвиђања за мион г-2. „Тренутно постоје две методе за одређивање фундаменталне компоненте г-2. Прва је заснована на експерименталним подацима, а друга је на компјутерским симулацијама квантне хромодинамике, или КЦД, теорије која проучава снажне интеракције између кваркова. Ове две методе доводе до веома различитих резултата, што је велики проблем.” Он је објаснио да док се овај проблем не реши, не можемо истраживати доприносе могућих егзотичних честица као што су нови Хигсови бозони или тамна материја, на пример, у г-2.

Студија успешно објашњава ову неслагање, али да бисмо је разумели морамо да се вратимо неколико корака уназад и почнемо испочетка са нешто детаљнијим описом миона.

Прстен за складиштење миона у Фермилабу. Заслуге: Реидар Хахн, Фермилаб

Мион је честица која припада класи лептона, као што је случај са електроном, али има много већу масу. Из тог разлога, он је нестабилан и опстаје само врло кратко време у високоенергетском контексту. Када миони ступају у интеракцију једни са другима у присуству магнетног поља, они се распадају и поново склапају као облак других честица, као што су електрони, позитрони, В и З бозони, Хигсови бозони и фотони. Стога, у експериментима, мионе увек прате многе друге виртуелне честице. Њихов допринос чини да је стварни магнетни момент измерен у експериментима већи од теоретског магнетног момента израчунатог Дираковом једначином, који је једнак 2.

„За разлику [g-2]потребно је узети у обзир све ове доприносе – и оне које предвиђа КЦД [in the Standard Model of particle physics] Други су мање величине, али се појављују у високо прецизним експерименталним мерењима. „Добро познајемо многе од ових доприноса, али не све“, рекао је Боито.

Ефекти јаке интеракције КЦД-а не могу се израчунати само теоретски, јер су непрактични у неким енергетским системима, тако да постоје две могућности. Један је у употреби већ неко време, а подразумева прибегавање експерименталним подацима добијеним сударима електрона и позитрона, који стварају друге честице састављене од кваркова. Други је решеткасти КЦД, који је постао конкурентан тек у текућој деценији и подразумева симулацију теоријског процеса у суперкомпјутеру.

„Главни проблем у предвиђању миона г-2 у овом тренутку је тај што се резултат добијен коришћењем података о сударима електрона и позитрона не слаже са укупним експерименталним резултатом, док резултати засновани на решеткастом КЦД слажу. Није“, рекао је Боито. „Нико није сигуран зашто, а наша студија објашњава део ове слагалице.“

Он и његове колеге су спровели своја истраживања посебно да би решили овај проблем. „У чланку су приказани резултати бројних студија у којима смо развили нову методу за упоређивање резултата симулација КЦД решетке са резултатима заснованим на експерименталним подацима. „Показали смо да је могуће са великом тачношћу издвојити доприносе израчунатих подаци у решетку – доприноси такозваних континуалних Фајнманових дијаграма“, рекао је он.

Амерички теоријски физичар Ричард Фајнман (1918-1988) добио је Нобелову награду за физику 1965. (заједно са Џулијаном Швингером и Шиничиром Томонагом) за свој фундаментални рад у квантној електродинамици и физици елементарних честица. Фајнманови дијаграми, креирани 1948. године, су графички прикази математичких израза који описују интеракцију ових честица и користе се за поједностављење укључених прорачуна.

„У овој студији смо први пут са великом прецизношћу добили доприносе континуалних Фејнманових дијаграма у такозваном 'просечном енергетском прозору'. Данас имамо осам резултата за ове доприносе, добијених симулацијама КЦД решетке, и сви су Штавише, показали смо да се резултати засновани на подацима о интеракцији електрон-позитрон не слажу са ових осам резултата из симулација.

Ово је омогућило истраживачима да идентификују извор проблема и размисле о могућим решењима. „Постало је јасно да ако су експериментални подаци за канал са два пиона из неког разлога потцењени, то би могао бити разлог за неслагање“, рекао је он. Пиони су мезони, честице састављене од кваркова и антикваркова насталих у сударима високе енергије.

У ствари, нови подаци (још увек под рецензијом) из ЦМД-3 искуство Чини се да ова студија спроведена на Новосибирском државном универзитету у Русији показује да су подаци о најстаријим бинарним каналима можда били потцењени из неког разлога.

Референца: „Одређивање компоненте светлосног кварка средњег доприноса прозора миону засновано на подацима г−2„Од Џенеса Бентон, Диого Боито, Мартин Голтерман, Александар Кешаварзи, Ким Малтман и Сантјаго Пирес, 21. децембра 2023. Писма о физичком прегледу.
дои: 10.1103/ПхисРевЛетт.131.251803

Боитово учешће у студији било је део његовог пројекта „Тестирање стандардног модела: Прецизни КЦД и мион г-2“, за који му је ФАПЕСП доделио Грант за младог истраживача фазе ИИ.