Muon g–2: maamerkkitutkimus haastaa hiukkasfysiikan sääntökirjaa

Standardimalli on tiukka teoria, joka ennustaa maailmankaikkeuden rakennuspalikoiden käyttäytymisen.

Taiteilijan käsitys myonin magneettisen hetken mysteeristä. (Lähde: Dani Zemba, Pennsylvania State University)

Äskettäin julkaistut kansainvälisen kokeen tulokset viittaavat mahdollisuuteen, että uusi fysiikka hallitsee luonnonlakeja, tutkijat sanovat. Kokeen tulokset, joita tutkittiin subatominen hiukkanen, jota kutsutaan myoniksi , eivät vastaa Standardimallin ennusteita, joihin kaikki hiukkasfysiikka perustuu, ja vahvistavat sen sijaan uudelleen poikkeaman, joka oli havaittu 20 vuotta sitten tehdyssä kokeessa. Toisin sanoen tuntemamme fysiikka ei voi yksin selittää mitattuja tuloksia. Tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä.

Uutiskirje| Napsauta saadaksesi päivän parhaat selitykset postilaatikkoosi

Mikä on vakiomalli?

Standardimalli on tiukka teoria, joka ennustaa maailmankaikkeuden rakennuspalikoiden käyttäytymisen. Siinä esitetään säännöt kuudelle kvarkille, kuudelle leptonia, Higgsin bosonille, kolmelle perusvoimalle ja kuinka subatomiset hiukkaset käyttäytyvät sähkömagneettisten voimien vaikutuksesta.

Muoni on yksi leptoneista. Se on samanlainen kuin elektroni, mutta 200 kertaa suurempi ja paljon epävakaampi, ja se selviää sekunnin murto-osan. Koe, nimeltään Muon g–2 (g miinus kaksi), suoritettiin Yhdysvaltain energiaministeriön Fermi National Accelerator Laboratoryssa (Fermilab).

Mistä tässä kokeilussa oli kyse?

Se mittasi myoniin liittyvän määrän seuraten aiempia kokeita Brookhaven National Laboratoryssa Yhdysvaltain energiaministeriön alaisuudessa. Vuonna 2001 päättynyt Brookhaven-koe tuotti tuloksia, jotka eivät vastanneet identtisesti vakiomallin ennusteita.

Muon g–2 -koe mittasi tämän suuren tarkemmin. Se pyrki selvittämään, jatkuuko ero vai olisivatko uudet tulokset lähempänä ennusteita. Kuten kävi ilmi, oli taas ero, vaikkakin pienempi.

LIITY NYT :Express Explained Telegram -kanava

Mikä määrä mitattiin?

Sitä kutsutaan g-tekijäksi, mitta, joka johtuu myonin magneettisista ominaisuuksista. Koska myon on epävakaa, tutkijat tutkivat sen jättämää vaikutusta ympäristöönsä.

Muonit toimivat ikään kuin niissä olisi pieni sisäinen magneetti. Voimakkaassa magneettikentässä tämän magneetin suunta heilahtelee - aivan kuten pyörivän huipun akseli. Nopeutta, jolla myon huojuu, kuvaa g-tekijä, mitattu määrä. Tämän arvon tiedetään olevan lähellä kahta, joten tutkijat mittaavat poikkeaman 2:sta. Tästä johtuu nimi g–2.

G-tekijä voidaan laskea tarkasti käyttämällä standardimallia. G–2-kokeessa tutkijat mittasivat sen erittäin tarkoilla instrumenteilla. He loivat myoneja ja saivat ne kiertämään suuressa magneetissa. Muonit olivat myös vuorovaikutuksessa subatomisten hiukkasten kvanttivaahdon kanssa, joka pomppasi sisään ja pois, kuten Fermilab kuvaili sitä. Nämä vuorovaikutukset vaikuttavat g-tekijän arvoon, jolloin myonit huojuvat hieman nopeammin tai hieman hitaammin. Se, kuinka paljon tämä poikkeama on (tätä kutsutaan anomaaliksi magneettimomentiksi), voidaan myös laskea standardimallilla. Mutta jos kvanttivaahto sisältää lisävoimia tai hiukkasia, joita standardimalli ei huomioi, se muuttaisi g-tekijää entisestään.

Mitkä olivat havainnot?

Vaikka tulokset poikkeavatkin vakiomallin ennusteesta, ne ovat vahvasti samaa mieltä Brookhavenin tulosten kanssa, Fermilab sanoi.

Hyväksytyt teoreettiset arvot myonille ovat:
g-tekijä: 2,00233183620
poikkeava magneettinen momentti: 0,00116591810

Keskiviikkona julkistetut uudet kokeelliset tulokset (yhdistettynä Brookhavenin ja Fermilabin tuloksista) ovat:
g-tekijä: 2,00233184122
poikkeava magneettinen momentti: 0,00116592061.

Mitä tämä tarkoittaa?

Brookhavenin ja nyt Fermilabin tulokset viittaavat tuntemattomien vuorovaikutusten olemassaoloon myonin ja magneettikentän välillä – vuorovaikutuksia, joihin saattaa liittyä uusia hiukkasia tai voimia. Se ei kuitenkaan ole viimeinen sana tien avaamisessa uuteen fysiikkaan.

Tiedemiehet vaativat löydön väittämiseksi tuloksia, jotka poikkeavat standardimallista 5 keskihajonnan verran. Fermilabin ja Brookhavenin yhdistetyt tulokset eroavat 4,2 standardipoikkeaman verran. Vaikka tämä ei ehkä riitä, se on erittäin epätodennäköistä, että se on sattuma - tämä mahdollisuus on noin yksi 40 000:sta, Argonnen kansallinen laboratorio, joka on myös Yhdysvaltain energiaministeriön alainen, sanoi lehdistötiedotteessa.

Tämä on vahva todiste siitä, että myon on herkkä jollekin, joka ei ole parhaassa teoriassamme, Renee Fatemi, Kentuckyn yliopiston fyysikko ja Muon g-2 -kokeen simulaatiopäällikkö, sanoi Fermilabin julkaisemassa lausunnossa.

Jaa Ystäviesi Kanssa: