Magnetiskt moment är en inneboende egenskap hos en partikel med spinn, som uppstår från interaktion mellan partikeln och en magnet eller annat föremål med ett magnetfält. Liksom massa och elektrisk laddning är magnetiska moment en av fysikens grundläggande storheter.
Det finns en skillnad mellan det teoretiska värdet av det magnetiska momentet hos en myon, en partikel som tillhör samma klass som elektronen, och de värden som erhålls i högenergiexperiment utförda i partikelacceleratorer. Skillnaden visas bara med åttonde decimalen, men forskare har fascinerats av den sedan den upptäcktes 1948.
Det är inte en detalj:det kan indikera om myonen interagerar med partiklar av mörk materia eller andra Higgs-bosoner eller till och med om okända krafter är inblandade i processen.
Det teoretiska värdet av myonens magnetiska moment, representerat av bokstaven g, ges av Dirac-ekvationen – formulerad av den engelske fysikern och 1933 års Nobelpristagare Paulo Dirac (1902-1984), en av grundarna av kvantmekaniken och kvantelektrodynamiken – som 2. Experiment har dock visat att g inte exakt är 2, och det finns ett stort intresse för att förstå "g-2", det vill säga skillnaden mellan experimentvärdet och värdet som förutsägs av Dirac-ekvationen.
Det bästa tillgängliga experimentvärdet för närvarande, erhållet med en imponerande grad av precision vid Fermi National Accelerator Laboratory i USA och tillkännagav i augusti 2023, är 2,00116592059, med ett osäkerhetsområde på plus eller minus 0,000000000022. Information om Muon G-2-experimentet som genomfördes på Fermilab finns på:muon-g-2.fnal.gov/ .
"Exakt bestämning av myonens magnetiska ögonblick har blivit en nyckelfråga i partikelfysik eftersom undersökning av detta gap mellan experimentella data och den teoretiska förutsägelsen kan ge information som kan leda till upptäckten av någon spektakulär ny effekt", säger fysikern Diogo Boito, en professor vid University of São Paulos São Carlos Institute of Physics (IFSC-USP), berättade för Agência FAPESP.
En artikel om ämnet av Boito och medarbetare publiceras i tidskriften Physical Review Letters .
"Våra resultat presenterades vid två viktiga internationella evenemang. Först av mig under en workshop i Madrid, Spanien, och senare av min kollega Maarten Golterman från San Francisco State University vid ett möte i Bern, Schweiz," sa Boito.
Dessa resultat kvantifierar och pekar på ursprunget till en diskrepans mellan de två metoder som används för att göra nuvarande förutsägelser av muon g-2.
"Det finns för närvarande två metoder för att bestämma en grundläggande komponent av g-2. Den första är baserad på experimentella data, och den andra på datorsimuleringar av kvantkromodynamik, eller QCD, teorin som studerar starka interaktioner mellan kvarkar. Dessa två metoder producerar helt olika resultat, vilket är ett stort problem Tills det är löst, kan vi inte undersöka bidragen från möjliga exotiska partiklar som nya Higgs-bosoner eller mörk materia, till exempel, till g-2, förklarade han.
Studien lyckades förklara diskrepansen, men för att förstå den måste vi ta några steg tillbaka och börja om med en något mer detaljerad beskrivning av muonen.
Myonen är en partikel som tillhör klassen leptoner, liksom elektronen, men som har en mycket större massa. Av denna anledning är den instabil och överlever endast under en mycket kort tid i ett högenergisammanhang. När myoner interagerar med varandra i närvaro av ett magnetfält, sönderfaller de och omgrupperas som ett moln av andra partiklar, såsom elektroner, positroner, W- och Z-bosoner, Higgs-bosoner och fotoner.
I experiment åtföljs myoner därför alltid av många andra virtuella partiklar. Deras bidrag gör att det faktiska magnetiska momentet uppmätt i experiment är större än det teoretiska magnetiska momentet beräknat med Dirac-ekvationen, vilket är lika med 2.
"För att erhålla skillnaden [g-2] är det nödvändigt att överväga alla dessa bidrag – både de som förutspås av QCD [i standardmodellen för partikelfysik] och andra som är mindre men förekommer i experimentella mätningar med hög precision. Vi känner till flera av dessa bidrag mycket bra – men inte alla”, sa Boito.
Effekterna av QCD stark interaktion kan inte enbart beräknas teoretiskt, eftersom de i vissa energiregimer är ogenomförbara, så det finns två möjligheter. En har använts under en tid och innebär att man tillgriper experimentella data som erhållits från elektron-positronkollisioner, som skapar andra partiklar som består av kvarkar. Den andra är gitter QCD, som blev konkurrenskraftig först under det nuvarande decenniet och innebär simulering av den teoretiska processen i en superdator.
"Det största problemet med att förutsäga muon g-2 just nu är att resultatet som erhållits med data från elektron-positronkollisioner inte överensstämmer med det totala experimentella resultatet, medan resultaten baserade på gitter QCD gör det. Ingen var säker på varför, och vår studie klargör en del av det här pusslet," sa Boito.
Han och hans kollegor genomförde sin forskning exakt för att lösa detta problem. "Artikeln rapporterar resultaten av ett antal studier där vi utvecklat en ny metod för att jämföra resultaten av gitter QCD-simuleringar med resultaten baserade på experimentella data. Vi visar att det är möjligt att extrahera från de databidrag som beräknas i gitter med stor precision – bidragen från så kallade sammankopplade Feynman-diagram", sa han.
Den amerikanske teoretiske fysikern Richard Feynman (1918-1988) vann 1965 års Nobelpris i fysik (med Julian Schwinger och Shin'ichiro Tomonaga) för grundläggande arbete inom kvantelektrodynamik och elementarpartiklars fysik. Feynman-diagram, skapade 1948, är grafiska representationer av de matematiska uttryck som beskriver växelverkan mellan sådana partiklar och används för att förenkla respektive beräkningar.
"I studien fick vi för första gången bidragen från sammankopplade Feynman-diagram i det så kallade "mellanenergifönstret" med stor precision. Idag har vi åtta resultat för dessa bidrag, erhållna med hjälp av gitter QCD-simuleringar, och alla överensstämmer i betydande utsträckning. Dessutom visar vi att resultaten baserade på elektron-positroninteraktionsdata inte stämmer överens med dessa åtta resultat från simuleringar, säger Boito.
Detta gjorde det möjligt för forskarna att lokalisera källan till problemet och fundera över möjliga lösningar. "Det blev tydligt att om experimentdata för tvåpionkanalen underskattas av någon anledning, kan detta vara orsaken till avvikelsen", sa han. Pioner är mesoner – partiklar som består av en kvark och en antikvark som produceras i högenergikollisioner.
Faktum är att nya data (som fortfarande granskas) från CMD-3-experimentet som genomfördes vid Novosibirsk State University i Ryssland verkar visa att de äldsta tvåpionkanaldata kan ha underskattats av någon anledning.
Mer information: Genessa Benton et al, Datadriven bestämning av Light-Quark-anslutna komponenten av mellanfönstrets bidrag till Muon g−2, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.251803
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av FAPESP
