مدل استاندارد برای گشتاور مغناطیسی میون چه چیزی را پیش بینی می کند؟

اخبار – پیش بینی مقدار عددی گشتاور مغناطیسی میون یکی از چالش برانگیزترین محاسبات در فیزیک پر انرژی است. برخی از فیزیکدانان بیشتر دوران حرفه ای خود را صرف بهبود محاسبات با دقت بیشتر می کنند.

چرا فیزیکدانان به خواص مغناطیسی این ذره علاقه مند هستند؟ زیرا اطلاعات هر ذره و نیرو در مقدار عددی گشتاور مغناطیسی میون کدگذاری می شود. اگر بتوانیم این عدد را با دقت بسیار بالا هم اندازه گیری و هم پیش بینی کنیم، می توانیم آن را تأیید کنیم مدل استاندارد ذرات بنیادی آن تمام شده است.

میونی با الکترون ها یکسان هستند با این تفاوت که جرم آنها حدود 200 برابر بیشتر است، ناپایدار هستند و پس از مدت کوتاهی به الکترون و نوترینو تجزیه می شوند. در ساده‌ترین سطح، این نظریه پیش‌بینی می‌کند که گشتاور مغناطیسی میون، معمولاً با حرف نشان داده می‌شود. g، باید برابر با 2 باشد. هر گونه انحراف از 2 را می توان به مشارکت کوانتومی از برهمکنش میون با ذرات و نیروها – شناخته شده و ناشناخته – نسبت داد. بنابراین دانشمندان بر پیش بینی و اندازه گیری g-2 متمرکز شده اند.

چندین اندازه گیری از میون g-2 در حال حاضر وجود دارد. دانشمندانی که روی آزمایش میون g-2 در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده انتظار می رود که در اواخر امسال نتیجه دقیق ترین اندازه گیری انجام شده از گشتاور مغناطیسی میون را اعلام کند.

در همان زمان، تعداد زیادی از دانشمندان در حال کار بر روی بهبود یک مدل استاندارد برای پیش‌بینی مقدار میون g-2. چندین بخش در این محاسبات مربوط به نیروی الکترومغناطیسی، نیروی هسته ای ضعیف و نیروی هسته ای قوی است.

اعتقاد بر این است که سهم ذرات الکترومغناطیسی مانند فوتون ها و الکترون ها دقیق ترین محاسبه در جهان است. سهم ذرات با برهمکنش ضعیف مانند نوترینوها، بوزون های W و Z و بوزون هیگز نیز شناخته شده است. چالش برانگیزترین بخش پیش بینی میون g-2 ناشی از مشارکت ذرات با تعامل قوی مانند کوارک ها و گلوئون ها; معادلات حاکم بر سهم آنها بسیار پیچیده است.

اگر چه کمک های از کوارک ها و گلوئون ها آنقدر پیچیده هستند که اصولاً قابل محاسبه هستند و چندین رویکرد مختلف توسعه داده شده است. یکی از این رویکردها با استفاده از داده‌های تجربی مربوط به نیروی هسته‌ای با تعامل قوی، سهم را تخمین می‌زند. وقتی الکترون ها و پوزیترون ها با هم برخورد می کنند، از بین می روند و می توانند ذرات ساخته شده از آن را تولید کنند کوارک ها و گلوئون ها مانند گل صد تومانی اندازه گیری تعداد دفعات تولید پیون در این برخوردها دقیقاً داده های مورد نیاز برای پیش بینی سهم قوی هسته ای در میون g-2 است.

برای چندین دهه، آزمایش‌ها بر روی برخورددهنده‌های الکترون-پوزیترون در سراسر جهان سهم آن را اندازه‌گیری کرده‌اند کوارک ها و گلوئون ها، از جمله آزمایشات در ایالات متحده، ایتالیا، روسیه، چین و ژاپن. نتایج همه این آزمایش ها با همکاری فیزیکدانان تجربی و نظری موسوم به ابتکار نظریه Muon g-2. در سال 2020 این گروه بهترین ها را اعلام کرد پیش‌بینی مدل استاندارد برای میون g-2 در آن زمان موجود است. ده ماه بعد، همکاری Muon g-2 در Fermilab فاش شد نتیجه اولین اندازه گیری آنها. مقایسه این دو نشان داد که اختلاف زیادی بین نتیجه تجربی و پیش‌بینی مدل استاندارد وجود دارد. به عبارت دیگر، مقایسه اندازه‌گیری با مدل استاندارد، شواهد قوی مبنی بر کامل نبودن مدل استاندارد ارائه کرد میون ها ممکن است با ذرات یا نیروهایی که هنوز کشف نشده اند تعامل داشته باشند.

رویکرد دوم از ابررایانه‌ها برای محاسبه معادلات پیچیده برای برهمکنش‌های کوارک و گلوئون با یک رویکرد عددی به نام نظریه شبکه استفاده می‌کند. اگرچه این یک روش به خوبی آزمایش شده برای محاسبه اثرات نیروی قوی است، اما اخیراً قدرت محاسباتی برای انجام محاسبات میون g-2 با دقت لازم در دسترس قرار گرفته است. در نتیجه، محاسبات شبکه منتشر شده قبل از سال 2021 برای آزمایش مدل استاندارد به اندازه کافی دقیق نبود. با این حال، محاسبات منتشر شده توسط گروهی از دانشمندان در سال 2021 با همکاری بوداپست – مارسی – ووپرتال، باعث تعجب بزرگ شد. پیش‌بینی آنها با استفاده از نظریه شبکه با پیش‌بینی با استفاده از داده‌های الکترون-پوزیترون فاصله زیادی داشت.

در چند ماه گذشته، چشم انداز پیش بینی ها برای سهم نیروی قوی در میون g-2 پیچیده تر شده است. دور جدیدی از داده های الکترون-پوزیترون از همکاری SND و CMD3 پدید آمده است. این دو آزمایش جمع آوری داده ها در برخورد دهنده الکترون-پوزیترون VEPP-2000 در نووسیبیرسک، روسیه است. یک نتیجه همکاری SND با داده های الکترون-پوزیترون قبلی سازگار است، در حالی که یک نتیجه همکاری CMD3 با داده های قبلی ناسازگار است.

چه اتفاقی می افتد؟ در حالی که هیچ پاسخ ساده ای وجود ندارد، تلاش هماهنگی توسط همه جوامع شرکت کننده برای کمی سازی بهتر پیش بینی مدل استاندارد وجود دارد. جامعه تئوری گیج شبکه شبانه روزی کار می کند تا پیش بینی های همکاری BMW را در محاسبات شبکه مستقل با دقت بهبود یافته با استفاده از روش های مختلف آزمایش و موشکافی کند. جامعه برخورددهنده الکترون پوزیترون در تلاش است تا دلایل احتمالی تفاوت بین نتیجه CMD3 و تمام اندازه‌گیری‌های قبلی را شناسایی کند. مهمتر از آن، جامعه در حال تکرار این اندازه گیری های تجربی با استفاده از مجموعه داده های بسیار بزرگتر است. دانشمندان همچنین تکنیک‌های مستقل جدیدی را برای درک سهم نیروی قوی معرفی می‌کنند، مانند آزمایش جدیدی که در CERN به نام MUonE ارائه شده است.

این به چه معناست برای میون g-2؟ همکاری Fermilab Muon g-2 نتیجه بعدی خود را بر اساس داده‌های گرفته شده در سال‌های 2019 و 2020 در اواخر امسال منتشر خواهد کرد. به دلیل حجم زیادی از داده های اضافی که در تجزیه و تحلیل جدید وارد شده است، همکاری Muon g-2 انتظار دارد که نتیجه دو برابر دقیق تر از اولین نتیجه آزمایش آنها باشد. اما عدم قطعیت فعلی در مقدار پیش‌بینی‌شده، استفاده از نتیجه جدید را برای تقویت نشانه قبلی ما مبنی بر ناقص بودن مدل استاندارد و وجود ذرات و نیروهای جدید بر میون g-2 دشوار می‌سازد.

بعدش چی؟ آزمایش Fermilab Muon g-2 به داده‌های به‌دست‌آمده در بهار امسال نتیجه‌گیری کرد. هنوز چندین سال طول می کشد تا کل مجموعه داده ها تجزیه و تحلیل شود، و آزمایش انتظار دارد نتیجه نهایی خود را در سال 2025 منتشر کند. در همین حال، ابتکار نظریه Muon g-2 در حال کار برای تقویت مقدار پیش بینی شده با استفاده از داده های جدید و محاسبات شبکه جدید است که باید همچنین قبل از سال 2025 در دسترس خواهد بود. این یک برخورد بسیار هیجان انگیز خواهد بود. در همین حال، جامعه فیزیک انرژی بالا مشتاقانه منتظر اعلام بهترین اندازه گیری جهان از آزمایش Fermilab Muon g-2 در اواخر امسال هستند.

آزمایشگاه ملی فرمی توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Science.energy.gov.