Wetenschap
Studie verduidelijkt een sleutelvraag in de deeltjesfysica over het magnetische moment van muonen
Magnetisch moment is een intrinsieke eigenschap van een deeltje met spin, die voortkomt uit de interactie tussen het deeltje en een magneet of ander object met een magnetisch veld. Net als massa en elektrische lading is magnetisch moment een van de fundamentele grootheden van de natuurkunde.
Er is een verschil tussen de theoretische waarde van het magnetische moment van een muon, een deeltje dat tot dezelfde klasse behoort als het elektron, en de waarden verkregen in hoogenergetische experimenten uitgevoerd in deeltjesversnellers. Het verschil verschijnt pas op de achtste decimaal, maar wetenschappers zijn er al door geïntrigeerd sinds de ontdekking ervan in 1948.
Het is geen detail:het kan aangeven of het muon interageert met donkere materiedeeltjes of andere Higgs-bosonen of zelfs of er onbekende krachten bij het proces betrokken zijn.
De theoretische waarde van het magnetische moment van het muon, weergegeven door de letter g, wordt gegeven door de Dirac-vergelijking – geformuleerd door de Engelse natuurkundige en Nobelprijswinnaar van 1933 Paulo Dirac (1902-1984), een van de grondleggers van de kwantummechanica en de kwantumelektrodynamica – als 2. Experimenten hebben echter aangetoond dat g niet precies 2 is, en er is veel belangstelling voor het begrijpen van "g-2", dat wil zeggen het verschil tussen de experimentele waarde en de waarde die wordt voorspeld door de Dirac-vergelijking.
P>De beste experimentele waarde die momenteel beschikbaar is, met een indrukwekkende mate van nauwkeurigheid verkregen in het Fermi National Accelerator Laboratory in de Verenigde Staten en aangekondigd in augustus 2023, is 2,00116592059, met een onzekerheidsbereik van plus of min 0,00000000022. Informatie over het Muon G-2-experiment uitgevoerd bij Fermilab is te vinden op:muon-g-2.fnal.gov/ .
"De nauwkeurige bepaling van het magnetische moment van het muon is een sleutelprobleem geworden in de deeltjesfysica, omdat onderzoek naar deze kloof tussen de experimentele gegevens en de theoretische voorspelling informatie kan opleveren die zou kunnen leiden tot de ontdekking van een spectaculair nieuw effect", zegt natuurkundige Diogo Boito. professor aan het São Carlos Institute of Physics (IFSC-USP) van de Universiteit van São Paulo, aan Agência FAPESP.
Een artikel over dit onderwerp door Boito en medewerkers is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .
"Onze resultaten werden gepresenteerd op twee belangrijke internationale evenementen. Eerst door mij tijdens een workshop in Madrid, Spanje, en later door mijn collega Maarten Golterman van de San Francisco State University tijdens een bijeenkomst in Bern, Zwitserland", aldus Boito.
Deze resultaten kwantificeren en wijzen naar de oorsprong van een discrepantie tussen de twee methoden die worden gebruikt om huidige voorspellingen te doen over muon g-2.
"Er zijn momenteel twee methoden om een fundamentele component van g-2 te bepalen. De eerste is gebaseerd op experimentele gegevens, en de tweede op computersimulaties van de kwantumchromodynamica, of QCD, de theorie die sterke interacties tussen quarks bestudeert. Deze twee methoden produceren heel verschillende resultaten, wat een groot probleem is totdat het is opgelost, kunnen we de bijdragen van mogelijke exotische deeltjes, zoals nieuwe Higgs-bosonen of donkere materie, aan g-2 niet onderzoeken,' legde hij uit.
De studie slaagde erin de discrepantie te verklaren, maar om deze te begrijpen moeten we een paar stappen terug doen en opnieuw beginnen met een wat gedetailleerdere beschrijving van het muon.
Het muon is een deeltje dat, net als het elektron, tot de klasse van de leptonen behoort, maar een veel grotere massa heeft. Om deze reden is het onstabiel en overleeft het slechts een zeer korte tijd in een hoogenergetische context. Wanneer muonen met elkaar interageren in de aanwezigheid van een magnetisch veld, vervallen ze en hergroeperen ze zich als een wolk van andere deeltjes, zoals elektronen, positronen, W- en Z-bosonen, Higgs-bosonen en fotonen.
Bij experimenten worden muonen daarom altijd vergezeld door vele andere virtuele deeltjes. Hun bijdragen zorgen ervoor dat het feitelijke magnetische moment, gemeten in experimenten, groter is dan het theoretische magnetische moment berekend door de Dirac-vergelijking, dat gelijk is aan 2.
‘Om het verschil [g-2] te verkrijgen, is het noodzakelijk om al deze bijdragen in overweging te nemen – zowel de bijdragen voorspeld door QCD [in het standaardmodel van de deeltjesfysica] als andere die kleiner zijn maar verschijnen in zeer nauwkeurige experimentele metingen. We kennen er verschillende. van deze bijdragen zeer goed, maar niet allemaal," zei Boito.
De effecten van de sterke QCD-interactie kunnen niet alleen theoretisch worden berekend, aangezien ze in sommige energieregimes onpraktisch zijn. Er zijn dus twee mogelijkheden. Eén ervan wordt al een tijdje gebruikt en houdt in dat men zijn toevlucht neemt tot de experimentele gegevens die zijn verkregen uit botsingen tussen elektronen en positronen, waardoor andere deeltjes ontstaan die uit quarks bestaan. De andere is rooster-QCD, dat pas in het huidige decennium concurrerend is geworden en het theoretische proces in een supercomputer simuleert.
"Het grootste probleem met het voorspellen van muon g-2 op dit moment is dat het resultaat verkregen met behulp van gegevens van elektronen-positronbotsingen niet overeenkomt met het totale experimentele resultaat, terwijl de resultaten op basis van rooster-QCD dat wel doen. Niemand wist zeker waarom, en onze studie verduidelijkt een deel van deze puzzel", aldus Boito.
Hij en zijn collega's hebben hun onderzoek precies uitgevoerd om dit probleem op te lossen. "Het artikel rapporteert de bevindingen van een aantal onderzoeken waarin we een nieuwe methode hebben ontwikkeld om de resultaten van rooster-QCD-simulaties te vergelijken met de resultaten op basis van experimentele gegevens. We laten zien dat het mogelijk is om uit de gegevens bijdragen te extraheren die zijn berekend in de rooster met grote precisie – de bijdragen van zogenaamde verbonden Feynman-diagrammen', zei hij.
De Amerikaanse theoretisch natuurkundige Richard Feynman (1918-1988) won in 1965 de Nobelprijs voor de natuurkunde (met Julian Schwinger en Shin'ichiro Tomonaga) voor fundamenteel werk op het gebied van de kwantumelektrodynamica en de fysica van elementaire deeltjes. Feynmandiagrammen, gemaakt in 1948, zijn grafische weergaven van de wiskundige uitdrukkingen die de interactie van dergelijke deeltjes beschrijven en worden gebruikt om de respectieve berekeningen te vereenvoudigen.
"In het onderzoek hebben we voor het eerst met grote precisie de bijdragen van verbonden Feynman-diagrammen in het zogenaamde 'intermediaire energievenster' verkregen. Vandaag hebben we acht resultaten voor deze bijdragen, verkregen door middel van rooster-QCD-simulaties, en ze zijn het allemaal in belangrijke mate eens. Bovendien laten we zien dat de resultaten op basis van gegevens over de elektron-positron-interactie niet overeenkomen met deze acht resultaten uit simulaties,' zei Boito.
Hierdoor konden de onderzoekers de oorzaak van het probleem lokaliseren en nadenken over mogelijke oplossingen. "Het werd duidelijk dat als de experimentele gegevens voor het tweepionkanaal om de een of andere reden worden onderschat, dit de oorzaak van de discrepantie zou kunnen zijn", zei hij. Pionen zijn mesonen:deeltjes bestaande uit een quark en een antiquark die ontstaan bij botsingen met hoge energie.
Nieuwe gegevens (die nog steeds door vakgenoten worden beoordeeld) van het CMD-3-experiment, uitgevoerd aan de Novosibirsk State University in Rusland, lijken zelfs aan te tonen dat de oudste twee-pion-kanaalgegevens om de een of andere reden mogelijk zijn onderschat.