En ny uppskattning av styrkan hos magnetfältet runt muonen-en subatomär partikel som liknar, men tyngre än, en elektron - täcker klyftan mellan teori och experimentella mätningar, att anpassa den till standardmodellen som har styrt partikelfysiken i årtionden.

Ett papper som beskriver forskningen av ett internationellt team av forskare visas 8 april, 2021 i tidningen Natur .

Tjugo år sedan, i ett experiment på Brookhaven National Laboratory, fysiker upptäckte vad som tycktes vara en skillnad mellan mätningar av muons "magnetiska ögonblick" - styrkan i dess magnetfält - och teoretiska beräkningar av vad den mätningen borde vara, vilket ökar möjligheten för fysiska partiklar eller krafter som ännu inte är upptäckta. Det nya fyndet krymper denna skillnad, tyder på att muons magnetism sannolikt inte alls är mystisk. För att uppnå detta resultat, istället för att förlita sig på experimentella data, forskare simulerade alla aspekter av sina beräkningar från grunden - en uppgift som kräver massiv superdatorkraft.

"De flesta fenomen i naturen kan förklaras av vad vi kallar" standardmodellen "för partikelfysik, "sa Zoltan Fodor, professor i fysik vid Penn State och ledare för forskargruppen. "Vi kan förutsäga partiklarnas egenskaper extremt exakt baserat på denna teori ensam, så när teori och experiment inte stämmer överens, vi kan bli glada över att vi kanske har hittat något nytt, något utöver standardmodellen. "

För en upptäckt av ny fysik utöver standardmodellen, det finns enighet bland fysiker om att oenigheten mellan teori och mätning måste nå fem sigma - ett statistiskt mått som motsvarar en sannolikhet på cirka 1 av 3,5 miljoner.

När det gäller muon, mätningar av dess magnetfält avvek från de befintliga teoretiska förutsägelserna med cirka 3,7 sigma. Fängslande, men inte tillräckligt för att förklara en upptäckt av ett nytt avbrott i fysikens regler. Så, forskare bestämde sig för att förbättra både mätningarna och teorin i hopp om att antingen förena teori och mätning eller öka sigma till en nivå som skulle möjliggöra förklaringen om en upptäckt av ny fysik.

"Den befintliga teorin för att uppskatta styrkan hos muonets magnetfält förlitade sig på experimentella mätningar av elektronpositronutsläpp, "sa Fodor." För att få ett annat tillvägagångssätt, vi använde en fullt verifierad teori som var helt oberoende av beroende av experimentella mätningar. Vi började med ganska grundläggande ekvationer och byggde hela uppskattningen från grunden. "

De nya beräkningarna krävde hundratals miljoner CPU -timmar vid flera superdatorcentra i Europa och förde teorin tillbaka till mätningen. Dock, historien är inte över än. Ny, mer exakta experimentella mätningar av muons magnetiska ögonblick väntas snart.

"Om våra beräkningar är korrekta och de nya mätningarna inte ändrar historien, det verkar som att vi inte behöver någon ny fysik för att förklara muons magnetiska ögonblick - det följer reglerna i standardmodellen, "sa Fodor." Även om, utsikterna till ny fysik är alltid lockande, Det är också spännande att se teori och experiment anpassa sig. Det visar djupet i vår förståelse och öppnar nya möjligheter för utforskning. "

Spänningen är långt ifrån över.

"Vårt resultat bör korskontrolleras av andra grupper och vi förutser dem, "sa Fodor." Dessutom, vårt fynd innebär att det finns en spänning mellan de tidigare teoretiska resultaten och våra nya. Denna skillnad bör förstås. Dessutom, de nya experimentella resultaten kan vara nära gamla eller närmare de tidigare teoretiska beräkningarna. Vi har många år av spänning framför oss. "