Hoe decimalen de natuurkunde opnieuw zouden kunnen definiëren

Onderzoekers hebben de oorsprong van discrepanties in recente voorspellingen van het magnetische moment van het muon geïdentificeerd. Hun bevindingen zouden kunnen bijdragen aan de studie van donkere materie en andere aspecten van de nieuwe natuurkunde.

Een magnetisch moment is een intrinsieke eigenschap van een draaiend deeltje, 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 in de natuurkunde. Er is een verschil tussen de theoretische waarde van het magnetische moment van het muon, een deeltje dat tot dezelfde klasse behoort als het elektron, en de waarden verkregen in hoogenergetische experimenten uitgevoerd in deeltjesversnellers.

Het verschil is slechts tot op de achtste decimaal zichtbaar, maar wetenschappers zijn er al sinds de ontdekking in 1948 in geïnteresseerd. Het is geen detail: het zou kunnen aangeven of het muon interageert met donkere materiedeeltjes of andere Higgs-bosonen, of zelfs of het onbekend is. . Troepen nemen deel aan deze operatie.

Inconsistenties in het magnetische moment van het muon

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 uit 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. De beste experimentele waarde die momenteel beschikbaar is, verkregen met een verbazingwekkende mate van precisie in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in de VS en aangekondigd in augustus 2023, is 2,00116592059, met een onzekerheidsbereik van plus of min 0,00000000022.

“Het nauwkeurig bepalen van het magnetische moment van muonen is een belangrijk probleem geworden in de deeltjesfysica, omdat het onderzoeken van deze kloof tussen experimentele gegevens en theoretische voorspellingen informatie kan opleveren die kan leiden tot de ontdekking van enkele verbazingwekkende nieuwe effecten”, zegt natuurkundige Diogo Boito, hoogleraar aan het het Instituut voor Natuurkunde van de Universiteit van São Carlos, São Paulo (IFSC-USP) naar FAPESP.

Een artikel over dit onderwerp van Boito en zijn medewerkers werd in het tijdschrift gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven.

Nieuwe inzichten uit onderzoek

“Onze resultaten zijn gepresenteerd op twee belangrijke internationale evenementen. Eerst door mij tijdens een workshop in Madrid, Spanje, en vervolgens door mijn collega Martin Goltermann van de San Francisco State University tijdens een bijeenkomst in Bern, Zwitserland”, aldus Boito.

Deze resultaten identificeren en geven de oorsprong aan van de discrepantie tussen de twee methoden die worden gebruikt om huidige voorspellingen te doen voor muon g-2. “Er zijn momenteel twee methoden om de fundamentele component van g-2 te bepalen. De eerste is gebaseerd op experimentele gegevens, en de tweede is op computersimulaties van de kwantumchromodynamica, of QCD, de theorie die sterke interacties tussen quarks bestudeert. Deze twee methoden tot heel andere resultaten leiden, wat een groot probleem is.” Hij legde uit dat we, totdat dit probleem is opgelost, de bijdragen van mogelijke exotische deeltjes zoals nieuwe Higgs-bosonen of donkere materie in g-2 niet kunnen onderzoeken.

De studie verklaart deze discrepantie met succes, maar om deze te begrijpen moeten we een paar stappen terug doen en opnieuw beginnen met een wat gedetailleerdere beschrijving van het muon.

Muon-opslagring bij Fermilab. Krediet: Reidar Hahn, Fermilab

Een muon is een deeltje dat, net als een 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 komen ze weer samen als een wolk van andere deeltjes, zoals elektronen, positronen, W- en Z-bosonen, Higgs-bosonen en fotonen. Daarom worden muonen bij experimenten altijd vergezeld door vele andere virtuele deeltjes. Hun bijdragen maken het feitelijke magnetische moment gemeten in de experimenten groter dan het theoretische magnetische moment berekend door de Dirac-vergelijking, dat gelijk is aan 2.

“Voor het verschil [g-2]is het noodzakelijk om met al deze bijdragen rekening te houden – beide voorspeld door QCD [in the Standard Model of particle physics] Anderen zijn kleiner van formaat, maar verschijnen in experimentele metingen met hoge precisie. “Veel van deze bijdragen kennen we goed, maar niet allemaal”, zegt Boito.

De sterke interactie-effecten van QCD kunnen niet alleen theoretisch worden berekend, omdat ze in sommige energiesystemen onpraktisch zijn. Er zijn dus twee mogelijkheden. Eén daarvan is al een tijdje in gebruik en houdt in dat je je toevlucht neemt tot experimentele gegevens die zijn verkregen uit botsingen tussen elektronen en positronen, waardoor andere deeltjes ontstaan ​​die uit quarks zijn samengesteld. De andere is rooster-QCD, dat pas de laatste tien jaar concurrerend is geworden en het theoretische proces in een supercomputer simuleert.

“Het grootste probleem bij 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 algemene experimentele resultaat, terwijl resultaten op basis van rooster-QCD dat wel doen. Dat was niet het geval, “zei Boito. “Niemand weet zeker waarom, en onze studie verklaart een deel van deze puzzel.”

Hij en zijn collega's hebben hun onderzoek specifiek uitgevoerd om dit probleem op te lossen. “Het artikel rapporteert de resultaten van een aantal onderzoeken waarin we een nieuwe methode hebben ontwikkeld om de resultaten van rooster-QCD-simulaties te vergelijken met resultaten op basis van experimentele gegevens. “We hebben aangetoond dat het mogelijk is om met grote nauwkeurigheid de bijdragen van berekende data te extraheren gegevens aan het rooster – bijdragen van zogenaamde continuüm Feynman-diagrammen”, zei hij.

De Amerikaanse theoretisch natuurkundige Richard Feynman (1918-1988) won in 1965 de Nobelprijs voor de natuurkunde (samen met Julian Schwinger en Shinichiro Tomonaga) voor zijn fundamentele werk op het gebied van de kwantumelektrodynamica en de elementaire deeltjesfysica. Feynmandiagrammen, gemaakt in 1948, zijn grafische weergaven van wiskundige uitdrukkingen die de interactie van deze deeltjes beschrijven en worden gebruikt om de betrokken berekeningen te vereenvoudigen.

“In deze studie hebben we voor het eerst met grote precisie de bijdragen van continuüm Feynman-diagrammen in het zogenaamde 'gemiddelde energievenster' verkregen. Vandaag hebben we acht resultaten voor deze bijdragen, verkregen door rooster-QCD-simulaties, en ze zijn allemaal Bovendien hebben we aangetoond dat de resultaten op basis van de elektron-positron-interactiegegevens niet overeenkomen met deze acht resultaten uit de simulaties.

Hierdoor konden onderzoekers de oorzaak van het probleem identificeren en nadenken over mogelijke oplossingen. “Het werd duidelijk dat als de experimentele gegevens voor het tweepionkanaal om de een of andere reden werden onderschat, dit de reden voor de discrepantie zou kunnen zijn”, zei hij. Pionen zijn mesonen, deeltjes die bestaan ​​uit quarks en antiquarks die ontstaan ​​bij botsingen met hoge energie.

In feite zijn er nieuwe gegevens (nog steeds onder collegiale toetsing) uit CMD-3-ervaring Dit onderzoek, uitgevoerd aan de Novosibirsk State University in Rusland, lijkt aan te tonen dat de oudste binaire kanaalgegevens mogelijk om een ​​reden zijn onderschat.

Referentie: “Datagestuurde bepaling van de licht-quarkcomponent van de gemiddelde vensterbijdrage aan het muon g−2“Door Jenessa Benton, Diogo Boito, Martin Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman en Santiago Pires, 21 december 2023, Fysieke beoordelingsbrieven.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

Boito's deelname aan het onderzoek maakte deel uit van zijn project 'Testing the Standard Model: Precision QCD and muon g-2', waarvoor FAPESP hem een ​​Phase II Young Investigator Grant toekende.