Al decenia, wetenschappers die het muon bestuderen, zijn verbaasd over een vreemd patroon in de manier waarop muonen in magnetische velden roteren, een waardoor natuurkundigen zich afvroegen of het kan worden verklaard door het standaardmodel - het beste hulpmiddel dat natuurkundigen hebben om het universum te begrijpen.

Deze week, een internationaal team van meer dan 170 natuurkundigen publiceerde de meest betrouwbare voorspelling tot nu toe voor de theoretische waarde van het afwijkende magnetische moment van het muon, die zijn specifieke rotatie zou verklaren, of precessie. Het magnetische moment van subatomaire deeltjes wordt over het algemeen uitgedrukt in termen van de dimensieloze Landé-factor, genaamd g. Terwijl een aantal internationale groepen afzonderlijk aan de berekening hebben gewerkt, deze publicatie is de eerste keer dat de wereldwijde theoretische natuurkundegemeenschap samenkomt om een ​​consensuswaarde voor het magnetische moment van het muon te publiceren.

Het resultaat wijkt af van de meest recente experimentele meting, die in 2004 werd uitgevoerd in het Brookhaven National Laboratory, maar niet significant genoeg om deze vraag eenduidig ​​te beantwoorden.

Nu wacht de wereld op het resultaat van Fermilabs huidige Muon g-2-experiment. In de komende maanden, natuurkundigen die aan het experiment werken, onthullen hun voorlopige meting voor de waarde. Afhankelijk van hoeveel de theoretische berekening van het standaardmodel afwijkt van de aanstaande experimentele meting, natuurkundigen zijn misschien een stap dichter bij het bepalen of de magnetische interacties van het muon duiden op deeltjes of krachten die nog moeten worden ontdekt.

Aan het eind van de jaren zestig in het CERN-laboratorium, wetenschappers begonnen een grote cirkelvormige magnetische ring te gebruiken om de theorie te testen die beschreef hoe muonen zouden moeten "wankelen" wanneer ze door een magnetisch veld bewegen. Vanaf dat moment, onderzoekers zijn doorgegaan met het kwantificeren van die wiebelen, het maken van steeds nauwkeurigere metingen van het afwijkende magnetische moment van het muon.

De decennialange inspanning leidde uiteindelijk tot een experiment in Brookhaven National Laboratory en zijn opvolger in Fermilab, evenals plannen voor een nieuw experiment in Japan. Tegelijkertijd, theoretici werkten aan het verbeteren van de precisie van hun berekeningen en het verfijnen van hun voorspellingen.

De theoretische waarde van het afwijkende magnetische moment van het muon, vandaag gepubliceerd, is:

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

Het meest nauwkeurige experimentele resultaat dat tot nu toe beschikbaar is, is:

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

Opnieuw, de kleine discrepantie tussen de experimentele metingen en de voorspelde waarde is blijven bestaan, en nogmaals, het is net onder de drempel om een ​​definitieve uitspraak te doen.

Deze theoretische waarde, gepubliceerd in de arXiv, is het resultaat van meer dan drie jaar werk van 130 natuurkundigen van 78 instellingen in 21 landen.

"We hebben nog niet eerder zo'n theorie-inspanning gehad waarin alle verschillende evaluaties worden gecombineerd in een enkele standaardmodelvoorspelling, " zei Aida El Khadra, een natuurkundige aan de Universiteit van Illinois en co-voorzitter van de stuurgroep voor het Muon g-2 Theory Initiative, de naam van de groep wetenschappers die aan de berekening hebben gewerkt.

Hun werk bouwt voort op een enkele vergelijking die in 1928 werd gepubliceerd en die tegelijkertijd het gebied van de kwantumelektrodynamica begon en de basis legde voor het Muon g-2-experiment.

Een elegante theorie

Als je natuurkundigen zou vragen wat zij beschouwden als de meest nauwkeurige en succesvolle vergelijking in hun vakgebied, de kans is groot dat enkelen zeggen dat het Dirac's vergelijking is, die de relativistische kwantumtheorie van het elektron beschrijft. Gepubliceerd in 1928, Dirac beschreef de spinbeweging van elektronen, en zijn vergelijking overbrugde de kloof tussen Einsteins relativiteitstheorie en de theorie van de kwantummechanica, en voorspelde onbedoeld het bestaan ​​van antimaterie met slechts een enkele vergelijking.

Dirac was ook in staat om iets te berekenen dat het magnetische moment van het elektron wordt genoemd, die hij beschreef als "een onverwachte bonus."

Elektronen kunnen worden gezien als kleine tollen die om hun as draaien, een intrinsieke eigenschap waardoor elk elektron zich als een kleine magneet gedraagt. Wanneer geplaatst in een magnetisch veld, zoals die gegenereerd in deeltjesversnellers, elektronen zullen precesseren - of wiebelen op hun as - in een specifiek en voorspelbaar patroon. Deze wiebeling is een effect van het magnetische moment van het deeltje, en het is van toepassing op meer dan alleen elektronen. Elk elektrisch geladen deeltje met ½ spin (spin wordt gekwantificeerd in halve eenheden) gedraagt ​​zich op dezelfde manier, inclusief deeltjes genaamd muonen, die dezelfde eigenschappen hebben als elektronen, maar meer dan 200 keer zo zwaar zijn.

Dirac's vergelijking, die geen rekening hield met de effecten van kwantumfluctuaties, voorspelde dat g gelijk zou zijn aan 2. Experiment heeft aangetoond dat de werkelijke waarde verschilt van die simpele verwachting - vandaar de naam 'muon g-2'.

Natuurkundigen hebben nu een veel beter begrip van wat die kwantumfluctuaties zijn en hoe ze zich gedragen op subatomaire schalen. maar precies berekenen hoe ze het pad van het muon beïnvloeden, is geen gemakkelijke taak.

"Het berekenen van de effecten van deze kwantumfluctuaties op het precisieniveau dat door moderne experimenten wordt vereist, is niet iets dat één briljant persoon alleen kan doen, "Zei El-Khadra. "Het neemt echt het hele dorp in beslag."

Ontmoeting van de geesten

Met zoveel natuurkundigen die werken aan de laatste ontwikkelingen van de theorie over de hele wereld, El-Khadra en haar collega's bij Fermilab wisten dat de beste manier om interacties tussen de groepen te vergemakkelijken was om ze allemaal samen te brengen. Dus, vanaf 2016, El-Khadra en haar collega's van de Fermilab Theory Group, samen met Brookhaven National Laboratory-wetenschapper Christoph Lehner, Theorie Initiatief medevoorzitter, en verschillende andere internationale medewerkers hebben contact opgenomen met de leiders in de wereldwijde gemeenschap van natuurkundigen die aan dit probleem werken om een ​​nieuw initiatief op te zetten, het Muon g-2-theorie-initiatief. Het initiatief, geleid door een negenkoppige stuurgroep die leiders omvat van alle grote inspanningen op het gebied van zowel theorie als experiment, organiseerde een reeks workshops over de hele wereld, ook in de VS, Japan en Duitsland, waarvan de eerste werd gehost in Fermilab in 2017.

"We hadden een aantal zeer intense discussies, " El Khadra zei:"Dat leidde tot meer gedetailleerde vergelijkingen en een beter begrip van de voor- en nadelen van de verschillende benaderingen."

De oprichting van het Muon g-2 Theory Initiative was de eerste coherente internationale poging om alle partijen samen te brengen die werken aan de standaardmodelwaarde van het afwijkende magnetische moment van de muon.

"Voordat dit initiatief begon, er waren een aantal evaluaties in de literatuur van de standaardmodelwaarde, die elk enigszins van de andere verschilden, " zei Lee Roberts, wetenschapper van de Boston University, mede-oprichter van het Fermilab-experiment en lid van de stuurgroep van het initiatief. "Het opmerkelijke is dat deze wereldwijde gemeenschap in staat was om samen te komen en overeenstemming te bereiken over de 'beste' waarde voor elk van de bijdragen aan de waarde van het magnetische moment van de muon."

Kwantumberekeningen

"Muonen en andere spin-½deeltjes zijn nooit echt alleen in het universum, " zei Fermilab-wetenschapper Chris Polly, wie is een van de woordvoerders van Muon g-2, samen met de natuurkundige Mark Lancaster van de Universiteit van Manchester. "Ze interageren met een hele entourage van deeltjes die constant in en uit het bestaan ​​​​springen."

De twee belangrijkste bronnen van onzekerheid zijn hadronische vacuümpolarisatie en licht-voor-lichtverstrooiing, waarbij een muon fotonen uitzendt en weer opneemt nadat ze door een bel van quarks en gluonen zijn gereisd. Beide factoren vormen samen minder dan 0,01% van het effect op de wiebeling van het muon, maar vormen toch de belangrijkste bron van onzekerheid in de theoretische berekening.

Het berekenen van het licht-door-lichtverstrooiingsdeel van de hadronische bijdrage is bijzonder moeilijk gebleken, en voor de start van het Muon g-2 Theory Initiative, natuurkundigen hadden nog geen betrouwbare schattingen van de effecten ervan gemaakt. Het beste wat ze konden doen waren ruwe benaderingen die sommigen ertoe brachten zich af te vragen of deze evaluaties van de licht-door-lichtverstrooiing de bron zouden kunnen zijn van het verschil tussen het berekende afwijkende magnetische moment van het muon en de experimenteel gemeten waarde.

Maar theoretici zijn er nu van overtuigd dat ze deze twijfels kunnen wegnemen. Dankzij heroïsche inspanningen van de afgelopen jaren binnen de theoriegemeenschap, niet zomaar een, maar er zijn nu twee onafhankelijke evaluaties beschikbaar, elk met betrouwbaar geschatte onzekerheden, die zijn opgenomen in de totale fout van de hierboven vermelde voorspelling van het standaardmodel.

"We hebben de bijdrage van licht-door-lichtverstrooiing nu zo gekwantificeerd dat het niet langer kan worden gebruikt als een verklaring om het standaardmodel te redden als de experimentele waarde significant blijkt af te wijken van de theoretische voorspelling, " zei Brookhaven National Laboratory-fysicus Christoph Lehner, Medevoorzitter theorie-initiatief.

En met zoveel rijden op de lijn, El-Khadra en andere leden van het Theory Initiative hebben niets aan het toeval overgelaten.

"We hebben sterk het belang benadrukt van het opnemen van evaluaties op basis van verschillende methoden in onze constructie van de standaardmodelvoorspelling van het abnormale magnetische moment van het muon, "Zei El-Khadra. "Omdat als we ontdekken dat de meting van het Fermilab-experiment niet overeenkomt met het standaardmodel, we willen zeker zijn."