Een nieuwe schatting van de sterkte van het magnetische veld rond het muon - een subatomair deeltje vergelijkbaar met, maar zwaarder dan een elektron - sluit de kloof tussen theorie en experimentele metingen, waardoor het in overeenstemming is met het standaardmodel dat de deeltjesfysica al decennia leidt.

Een paper waarin het onderzoek door een internationaal team van wetenschappers wordt beschreven, verschijnt op 8 april, 2021 in het journaal Natuur .

Twintig jaar geleden, in een experiment in het Brookhaven National Laboratory, natuurkundigen ontdekten wat leek op een discrepantie tussen metingen van het "magnetische moment" van het muon - de sterkte van zijn magnetische veld - en theoretische berekeningen van wat die meting zou moeten zijn, het verhogen van de verleidelijke mogelijkheid van fysieke deeltjes of krachten die nog niet zijn ontdekt. De nieuwe bevinding verkleint deze discrepantie, wat suggereert dat het magnetisme van het muon waarschijnlijk helemaal niet mysterieus is. Om dit resultaat te bereiken, in plaats van te vertrouwen op experimentele gegevens, onderzoekers simuleerden elk aspect van hun berekeningen vanaf de grond af - een taak die enorme supercomputerkracht vereist.

"De meeste verschijnselen in de natuur kunnen worden verklaard door wat we het 'standaardmodel' van de deeltjesfysica noemen, " zei Zoltan Fodor, hoogleraar natuurkunde aan Penn State en leider van het onderzoeksteam. "We kunnen de eigenschappen van deeltjes uiterst nauwkeurig voorspellen op basis van deze theorie alleen, dus als theorie en experiment niet overeenkomen, we kunnen opgewonden raken dat we misschien iets nieuws hebben gevonden, iets dat verder gaat dan het standaardmodel."

Voor een ontdekking van nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel, er is consensus onder natuurkundigen dat het verschil tussen theorie en meting vijf sigma moet bereiken - een statistische maat die overeenkomt met een kans van ongeveer 1 op 3,5 miljoen.

In het geval van de muon, metingen van zijn magnetische veld week ongeveer 3,7 sigma af van de bestaande theoretische voorspellingen. Fascinerend, maar niet genoeg om een ​​ontdekking van een nieuwe breuk in de regels van de natuurkunde te verklaren. Dus, onderzoekers wilden zowel de metingen als de theorie verbeteren in de hoop ofwel theorie en meting met elkaar te verzoenen of de sigma te verhogen tot een niveau dat de ontdekking van nieuwe fysica mogelijk zou maken.

"De bestaande theorie voor het schatten van de sterkte van het magnetische veld van het muon was gebaseerd op experimentele elektron-positron-annihilatiemetingen, " zei Fodor. "Om een ​​andere benadering te hebben, we gebruikten een volledig geverifieerde theorie die volledig onafhankelijk was van de afhankelijkheid van experimentele metingen. We zijn begonnen met vrij eenvoudige vergelijkingen en hebben de hele schatting vanaf de grond opgebouwd."

De nieuwe berekeningen vergden honderden miljoenen CPU-uren in meerdere supercomputercentra in Europa en brengen de theorie weer in lijn met de metingen. Echter, het verhaal is nog niet afgelopen. Nieuw, meer nauwkeurige experimentele metingen van het magnetische moment van het muon worden binnenkort verwacht.

"Als onze berekeningen kloppen en de nieuwe metingen het verhaal niet veranderen, het lijkt erop dat we geen nieuwe fysica nodig hebben om het magnetische moment van het muon te verklaren - het volgt de regels van het standaardmodel, "zei Fodor. "Hoewel, het vooruitzicht van nieuwe fysica is altijd aanlokkelijk, het is ook spannend om theorie en experiment op één lijn te zien komen. Het toont de diepte van ons begrip en opent nieuwe mogelijkheden voor verkenning."

De opwinding is nog lang niet voorbij.

"Ons resultaat moet worden gecontroleerd door andere groepen en we anticiperen op hen, "zei Fodor. "Bovendien, onze bevinding betekent dat er een spanning bestaat tussen de vorige theoretische resultaten en onze nieuwe. Deze discrepantie moet worden begrepen. In aanvulling, de nieuwe experimentele resultaten kunnen dicht bij de oude of dichter bij de vorige theoretische berekeningen liggen. We hebben nog vele jaren van opwinding voor de boeg."