I årtionden, forskare som studerar muonen har förbryllats av ett konstigt mönster i hur muoner roterar i magnetfält, en som fick fysikerna att undra om det kan förklaras av standardmodellen - det bästa verktyget fysiker har att förstå universum.

Denna vecka, ett internationellt team med mer än 170 fysiker publicerade den hittills mest tillförlitliga förutsägelsen för det teoretiska värdet av muons avvikande magnetiska ögonblick, som skulle stå för dess särskilda rotation, eller precession. Det magnetiska momentet för subatomära partiklar uttrycks generellt i termer av den dimensionslösa Landé -faktorn, kallas g. Medan ett antal internationella grupper har arbetat separat med beräkningen, denna publikation markerar första gången den globala teoretiska fysikgemenskapen har samlats för att publicera ett konsensusvärde för muons magnetiska ögonblick.

Resultatet skiljer sig från den senaste experimentella mätningen, som utfördes på Brookhaven National Laboratory 2004, men inte tillräckligt viktigt för att entydigt svara på denna fråga.

Nu väntar världen på resultatet från Fermilabs nuvarande Muon g-2-experiment. Under de kommande månaderna, fysiker som arbetar med experimentet kommer att avslöja sin preliminära mätning för värdet. Beroende på hur mycket standardmodellens teoretiska beräkning skiljer sig från den kommande experimentmätningen, fysiker kan vara ett steg närmare att avgöra om muons magnetiska interaktioner antyder partiklar eller krafter som ännu inte har upptäckts.

I slutet av 1960 -talet vid CERN -laboratoriet, forskare började använda en stor cirkulär magnetisk ring för att testa teorin som beskrev hur muoner ska "vingla" när de rör sig genom ett magnetfält. Sedan dess, experimenterare har fortsatt att kvantifiera den där vinglingen, göra mer och mer exakta mätningar av muons anomala magnetiska moment.

Den decennier långa insatsen ledde så småningom till ett experiment på Brookhaven National Laboratory och dess efterträdare på Fermilab, samt planer på ett nytt experiment i Japan. På samma gång, teoretiker arbetade med att förbättra precisionen i sina beräkningar och finjustera sina förutsägelser.

Det teoretiska värdet av det avvikande magnetiska momentet i muonen, publicerad idag, är:

a =(g-2)/2 (muon, teori) =116 591 810 (43) x 10 ^-12

Det mest exakta experimentella resultatet som finns hittills är:

a =(g-2)/2 (muon, expmt) =116 592 089 (63) x 10 ^-12

På nytt, den lilla skillnaden mellan de experimentella mätningarna och det förutsagda värdet har kvarstått, och återigen är det precis under tröskeln att göra ett definitivt uttalande.

Detta teoretiska värde, publicerad i arXiv, är resultatet av över tre års arbete av 130 fysiker från 78 institutioner i 21 länder.

"Vi har inte haft en teori som denna tidigare där alla de olika utvärderingarna kombineras till en enda standardmodellsprognos, "sa Aida El-Khadra, fysiker vid University of Illinois och medordförande i styrkommittén för Muon g-2 Theory Initiative, namnet på gruppen forskare som arbetade med beräkningen.

Deras arbete bygger på en enda ekvation som publicerades 1928 som samtidigt startade området för kvantelektrodynamik och lade grunden för Muon g-2-experimentet.

En elegant teori

Om du skulle fråga fysikerna vad de ansåg vara den mest exakta och framgångsrika ekvationen inom sitt område, chansen är mer än några få skulle säga att det är Diracs ekvation, som beskriver elektronens relativistiska kvantteori. Publicerad 1928, Dirac beskrev elektronernas rotationsrörelse, och hans ekvation överbryggade klyftan mellan Einsteins relativitetsteori och teorin om kvantmekanik, och oavsiktligt förutspådde förekomsten av antimateria med bara en enda ekvation.

Dirac kunde också beräkna något som kallades elektronens magnetmoment, som han beskrev som en "oväntad bonus".

Elektroner kan ses som små snurrande toppar som roterar på sin axel, en inneboende egenskap som gör att varje elektron fungerar som en liten magnet. När den placeras i ett magnetfält, som de som genereras i partikelacceleratorer, elektroner kommer att föregå - eller vingla på sin axel - i ett specifikt och förutsägbart mönster. Denna vingla är en effekt av partikelns magnetiska moment, och det gäller mer än elektroner. Varje elektriskt laddad partikel med ½ centrifugering (centrifugering kvantifieras i halva enheter) beter sig på samma sätt, inklusive partiklar som kallas muoner, som har samma egenskaper som elektroner men är mer än 200 gånger så massiva.

Diracs ekvation, som inte tog hänsyn till effekterna av kvantfluktuationer, förutsade att g skulle vara lika med 2. Experiment har visat att det verkliga värdet skiljer sig från den enkla förväntningen-därav namnet "muon g-2".

Fysiker har nu en mycket bättre förståelse för vad dessa kvantfluktuationer är och hur de beter sig i subatomära skalor, men att exakt beräkna hur de påverkar muons väg är ingen lätt uppgift.

"Att beräkna effekterna av dessa kvantfluktuationer på den precisionsnivå som moderna experiment kräver är inte något som en lysande person kan göra ensam, "Sa El-Khadra." Det tar verkligen hela byn. "

Sinnes möte

Med så många fysiker som arbetar med den senaste utvecklingen av teorin runt om i världen, El-Khadra och hennes kollegor på Fermilab visste att det bästa sättet att underlätta interaktioner mellan grupperna var att sammanföra dem alla. Så, från och med 2016, El-Khadra och hennes kollegor i Fermilab Theory Group, tillsammans med Brookhaven National Laboratory -forskaren Christoph Lehner, Teoriinitiativets medordförande, och flera andra internationella samarbetspartners nådde ut till ledarna i det globala samfundet av fysiker som arbetar med detta problem för att sätta ihop ett nytt initiativ, Muon g-2 Theory Initiative. Initiativet, ledd av en styrgrupp med nio personer som innehåller ledare för alla stora insatser inom både teori och experiment, organiserade en rad workshops runt om i världen, inklusive i USA, Japan och Tyskland, den första var värd på Fermilab 2017.

"Vi hade mycket intensiva diskussioner, "Sa El-Khadra, "Det ledde till mer detaljerade jämförelser och en bättre förståelse av för- och nackdelarna med de olika tillvägagångssätten."

Inrättandet av Muon g-2 Theory Initiative var den första sammanhängande internationella insatsen för att samla alla parter som arbetar med standardmodellvärdet för muons anomala magnetiska ögonblick.

"Innan detta initiativ började, det fanns ett antal utvärderingar i litteraturen av standardmodellvärdet, var och en skilde sig något från de andra, "sade Boston University -forskaren Lee Roberts, medgrundare av Fermilab-experimentet och medlem i initiativets styrkommitté. "Det anmärkningsvärda är att detta världsomfattande samhälle kunde samlas och komma överens om det" bästa "värdet för vart och ett av bidragen till värdet av muonets magnetiska ögonblick."

Kvantberäkningar

"Muoner och andra spin-½ partiklar är aldrig riktigt ensamma i universum, "sa Fermilab -forskaren Chris Polly, som är en av Muon g-2:s talespersoner, tillsammans med University of Manchester fysiker Mark Lancaster. "De interagerar med ett helt följe av partiklar som ständigt dyker upp i och ur existens."

De två främsta källorna till osäkerhet är hadronisk vakuumpolarisering och ljus-för-ljus-spridning-där en muon avger och reabsorberar fotoner efter att de har färdats genom en bubbla av kvarker och gluoner. Båda dessa faktorer kombinerar för att utgöra mindre än 0,01% av effekten på muonens wobble men utgör den viktigaste källan till osäkerhet i teoriräkningen.

Att beräkna den ljus-för-ljus-spridande delen av hadronic-bidraget har visat sig vara särskilt svårt, och innan starten av Muon g-2 Theory Initiative, fysiker hade ännu inte tagit fram tillförlitliga uppskattningar av dess effekter. Det bästa de kunde hantera var grova approximationer som fick vissa att undra om dessa utvärderingar av ljus-för-ljus-spridningen kan vara källan till skillnaden mellan muons beräknade avvikande magnetiska moment och det experimentellt uppmätta värdet.

Men teoretikerna är nu övertygade om att de kan lägga dessa tvivel till vila. Tack vare heroiska insatser under de senaste åren inom teorigemenskapen, inte bara en, men två oberoende utvärderingar är nu tillgängliga, var och en med tillförlitligt uppskattade osäkerheter, som ingår i det totala felet i standardmodellprognosen ovan.

"Vi har nu kvantifierat ljus-för-ljus-spridningsbidraget i den mån det inte längre kan användas som en förklaring för att spara standardmodellen om experimentvärdet visar sig skilja sig väsentligt från den teoretiska förutsägelsen, "sa Brookhaven National Laboratory fysiker Christoph Lehner, Teoriinitiativets medordförande.

Och med så mycket ridning på linan, El-Khadra och andra medlemmar av Theory Initiative har inte lämnat något åt ​​slumpen.

"Vi har starkt betonat vikten av att inkludera utvärderingar baserade på flera olika metoder i vår konstruktion av standardmodellens förutsägelse av det avvikande magnetiska momentet i muonen, "Sa El-Khadra." För om vi upptäcker att Fermilab-experimentets mätning är oförenlig med standardmodellen, vi vill vara säkra. "