Mūona magnētiskais moments ir bijis zinātnisks noslēpums, jo ir neliela atšķirība starp tā teorētiskajām un eksperimentālajām vērtībām, kas liecina par mijiedarbību ar nezināmām daļiņām vai spēkiem. Pētījumi, kas ietver progresīvas kvantu simulācijas, sāk izjaukt šīs neatbilstības, sniedzot ieskatu mionu pamatīpašībās un to mijiedarbībā daļiņu fizikā. Kredīts: SciTechDaily.com
Pētnieki ir noskaidrojuši neatbilstību izcelsmi nesenajās muona magnētiskā momenta prognozēs. Viņu atklājumi varētu veicināt tumšās vielas un citu jaunās fizikas aspektu izpēti.
Magnētiskais moments ir rotējošai daļiņai raksturīga īpašība, kas rodas daļiņas mijiedarbības rezultātā ar magnētu vai citu objektu ar magnētisko lauku. Tāpat kā masa un elektriskais lādiņš, magnētiskais moments ir viens no fizikas pamatlielumiem. Pastāv atšķirība starp miona, daļiņas, kas pieder tai pašai klasei ar elektronu, magnētiskā momenta teorētisko vērtību un vērtībām, kas iegūtas lielas enerģijas eksperimentos, kas veikti daļiņu paātrinātājos.
Atšķirība parādās tikai līdz astotajai zīmei aiz komata, taču zinātniekus tā interesē kopš tās atklāšanas 1948. gadā. Tā nav detaļa: tā varētu norādīt, vai mions mijiedarbojas ar tumšās vielas daļiņām vai citiem Higsa bozoniem, vai pat to, vai tas nav zināms. . Šajā operācijā piedalās karaspēks.
Neatbilstības miona magnētiskajā momentā
Mūona magnētiskā momenta teorētisko vērtību, ko apzīmē ar burtu g, nosaka Diraka vienādojums, ko formulējis angļu fiziķis un 1933. gada Nobela prēmijas laureāts Paulo Diraks (1902-1984), viens no kvantu mehānikas un kvantu elektrodinamikas pamatlicējiem. – kā 2. Tomēr eksperimenti ir parādījuši, ka g nav precīzi 2, un ir liela interese saprast “g-2”, tas ir, atšķirību starp eksperimentālo vērtību un vērtību, ko paredz Diraka vienādojums. Labākā pašlaik pieejamā eksperimentālā vērtība, kas iegūta ar pārsteidzošu precizitātes pakāpi Fermi Nacionālajā paātrinātāja laboratorijā (Fermilab) ASV un paziņota 2023. gada augustā, ir 2,00116592059, un nenoteiktības diapazons ir plus vai mīnus 0,00000000022.
“Precīza miona magnētiskā momenta noteikšana ir kļuvusi par galveno problēmu daļiņu fizikā, jo, pētot šo plaisu starp eksperimentālajiem datiem un teorētiskajām prognozēm, var iegūt informāciju, kas var novest pie dažu pārsteidzošu jaunu efektu atklāšanas,” sacīja fiziķis Diogo Boito, profesors. Sankarlosas Universitātes Fizikas institūts. Sanpaulu (IFSC-USP) uz FAPESP.
Žurnālā tika publicēts Boito un viņa līdzstrādnieku raksts par šo tēmu Fiziskās apskates vēstules.
Jaunas atziņas no pētījumiem
“Mūsu rezultāti tika prezentēti divos svarīgos starptautiskos pasākumos. Vispirms es seminārā Madridē, Spānijā, un pēc tam mans kolēģis Martins Goltermans no Sanfrancisko Valsts universitātes sanāksmē Bernē, Šveicē,” sacīja Boito.
Šie rezultāti identificē un norāda neatbilstības izcelsmi starp divām metodēm, kas izmantotas, lai veiktu pašreizējās prognozes par muonu g-2. “Pašlaik ir divas metodes g-2 pamatkomponenta noteikšanai. Pirmā ir balstīta uz eksperimentāliem datiem, bet otrā ir uz kvantu hromodinamikas jeb QCD, teorijas, kas pēta spēcīgu mijiedarbību starp kvarku, datorsimulācijām. Šīs divas metodes novest pie ļoti atšķirīgiem rezultātiem, kas ir liela problēma. ”Viņš paskaidroja, ka, kamēr šī problēma nav atrisināta, mēs nevaram izpētīt iespējamo eksotisko daļiņu, piemēram, jaunu Higsa bozonu vai tumšās vielas devumu, piemēram, g-2.
Pētījums veiksmīgi izskaidro šo neatbilstību, taču, lai to saprastu, mums ir jāpaiet daži soļi atpakaļ un jāsāk no jauna ar nedaudz detalizētāku miona aprakstu.
Muon uzglabāšanas gredzens Fermilab. Kredīts: Reidars Hāns, Fermilab
Mūons ir daļiņa, kas pieder leptonu klasei, kā tas ir elektronam, taču tam ir daudz lielāka masa. Šī iemesla dēļ tas ir nestabils un tikai ļoti īsu laiku izdzīvo augstas enerģijas kontekstā. Kad mioni mijiedarbojas viens ar otru magnētiskā lauka klātbūtnē, tie sabrūk un atkal izveidojas kā citu daļiņu mākonis, piemēram, elektroni, pozitroni, W un Z bozoni, Higsa bozoni un fotoni. Tāpēc eksperimentos mionus vienmēr pavada daudzas citas virtuālas daļiņas. To ieguldījums padara faktisko magnētisko momentu, kas izmērīts eksperimentos, lielāku par teorētisko magnētisko momentu, kas aprēķināts ar Diraka vienādojumu, kas ir vienāds ar 2.
“Par atšķirību [g-2]ir jāņem vērā visi šie ieguldījumi – gan tie, ko prognozē QCD [in the Standard Model of particle physics] Citi ir mazāka izmēra, bet parādās augstas precizitātes eksperimentālos mērījumos. “Mēs labi zinām daudzus no šiem ieguldījumiem, bet ne visus,” sacīja Boito.
QCD spēcīgās mijiedarbības efektus nevar aprēķināt tikai teorētiski, jo dažās enerģijas sistēmās tie ir nepraktiski, tāpēc ir divas iespējas. Viens ir izmantots jau kādu laiku, un tas ietver eksperimentālu datu izmantošanu, kas iegūti no elektronu-pozitronu sadursmēm, kas rada citas daļiņas, kas sastāv no kvarkiem. Otrs ir režģa QCD, kas ir kļuvis konkurētspējīgs tikai pašreizējā desmitgadē un ietver teorētiskā procesa simulāciju superdatorā.
“Pagaidām galvenā problēma mūona g-2 prognozēšanā ir tā, ka rezultāts, kas iegūts, izmantojot elektronu-pozitronu sadursmju datus, nesaskan ar kopējo eksperimentālo rezultātu, savukārt rezultāti, kas balstīti uz režģa QCD, sakrīt. Tā nebija,” sacīja Boito. “Neviens nav pārliecināts, kāpēc, un mūsu pētījums izskaidro daļu no šīs mīklas.”
Viņš un viņa kolēģi veica savus pētījumus, lai atrisinātu šo problēmu. “Rakstā ir ziņots par vairāku pētījumu rezultātiem, kuros mēs izstrādājām jaunu metodi, lai salīdzinātu režģa QCD simulācijas rezultātus ar rezultātiem, kas balstīti uz eksperimentāliem datiem. “Mēs esam parādījuši, ka ir iespējams ar lielu precizitāti iegūt aprēķināto ieguldījumu dati režģī – tā saukto kontinuuma Feinmena diagrammu ieguldījums, ”viņš teica.
Amerikāņu teorētiskais fiziķis Ričards Feinmens (1918-1988) ieguva Nobela prēmiju fizikā 1965. gadā (kopā ar Džulianu Švingeru un Šiničiro Tomonagu) par fundamentālajiem darbiem kvantu elektrodinamikā un elementārdaļiņu fizikā. Feinmana diagrammas, kas izveidotas 1948. gadā, ir matemātisko izteiksmju grafiski attēlojumi, kas apraksta šo daļiņu mijiedarbību un tiek izmantotas, lai vienkāršotu iesaistītos aprēķinus.
“Šajā pētījumā mēs pirmo reizi ar lielu precizitāti ieguvām nepārtraukto Feinmana diagrammu ieguldījumu tā sauktajā” vidējās enerģijas logā “. Šodien mums ir astoņi rezultāti par šiem ieguldījumiem, kas iegūti ar režģa QCD simulācijām, un tie visi ir Turklāt mēs esam parādījuši, ka rezultāti, kas balstīti uz elektronu-pozitronu mijiedarbības datiem, nesaskan ar šiem astoņiem simulāciju rezultātiem.
Tas ļāva pētniekiem noteikt problēmas avotu un domāt par iespējamiem risinājumiem. “Kļuva skaidrs, ka, ja divu pionu kanāla eksperimentālie dati kādu iemeslu dēļ tika novērtēti par zemu, tas varētu būt neatbilstības iemesls,” viņš teica. Pioni ir mezoni, daļiņas, kas sastāv no kvarkiem un antikvarkiem, kas rodas lielas enerģijas sadursmēs.
Faktiski jauni dati (joprojām tiek pārskatīti) no CMD-3 pieredze Šķiet, ka šis pētījums, kas tika veikts Novosibirskas Valsts universitātē Krievijā, parāda, ka vecākie bināro kanālu dati kāda iemesla dēļ varētu būt novērtēti par zemu.
Atsauce: “Ar datiem balstīta ar gaismas kvarku saistītā komponenta noteikšana vidējā loga ieguldījumam mionā g-2Autori: Dženesa Bentone, Diogo Boito, Mārtins Goltermans, Aleksandrs Kešavarzi, Kims Maltmens un Santjago Piress, 2023. gada 21. decembris, Fiziskās apskates vēstules.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803
Boito dalība pētījumā bija daļa no viņa projekta “Standarta modeļa pārbaude: Precīzijas QCD un muons g-2”, par kuru FAPESP viņam piešķīra II fāzes jaunā pētnieka stipendiju.
