Показва ли новото измерване на свойство на мюона пета сила на природата?

Ваня Милева Последна промяна на 14 август 2023 в 00:01 6382 0

Fermilab

Кредит FNAL

Илюстрация на Fermilab. Мюоните приличат на електроните по поведение (и с тау частицата или всички лептони), въпреки че са около 207 пъти по-тежки и са нестабилни – след 2,2 μs се разпадат на електрон и две неутрино. Близо до магнит (сила 1,45 тесла) те се въртят или се колебаят като оста на въртящ се пумпал, което зависи от магнитния момент на мюона, нещо, което те обозначават с буквата g и това на теория е точно 2, трябва да бъде. Всъщност g не е 2 и това е така, защото мюонът е заобиколен от такъв облак от виртуални частици, който се предсказва от квантовите теории.

Физиците вече разполагат с чисто ново измерване на свойство на мюона, наречено аномален магнитен момент, което подобрява двойно прецизността на техния предишен резултат.

Но и новата, както и предишната, стойност се отклонява от прогнозите на Стандартния модел - моделът, който физиците считат за най-доброто описание на елементарните частици и силите, които действат между тях.

Мюоните са фундаментални частици, които, както всички електрически заредени елементарни частици са с мъничък вътрешен магнит, който се върти или се колебае като оста на въртящ се пумпал в присъствието на магнитно поле.

Когато една частица взаимодейства с магнитно поле, върху частицата се упражнява сила, създаваща въртящ момент или магнитен момент (наричан също магнитен диполен момент), който е вектор - величина, която има както големина, така и посока - характеризиращ магнитните свойства. 

В квантовата електродинамика магнитният момент на дадена частица има отклонение, дължащо се на ефектите на квантовата механика и се нарича аномален магнитен момент. Магнитният момент на Дирак, което е класически резултат, може да се изчисли от уравнението на Дирак, което прогнозира g=2. Аномалният магнитен момент се измерва с разликата, означена с а и се определя като:

За частици като електрона този класически резултат се различава от наблюдаваната стойност с малка част от процента. Например текущата експериментална стойност на а за електрона е: 

Сега международно сътрудничество на учени, работещи по експеримента Muon g-2 в Националната ускорителна лаборатория "Ферми" (FNAL - Fermi National Accelerator Laboratory) на Министерството на енергетиката на САЩ, обяви чисто ново измерване на аномалния магнитен момент на мюоните. Това ново измерване подобрява прецизността на техния предишен резултат два пъти.

Тази нова стойност подкрепя първия резултат, обявен през април 2021 г. Този резултат предполага, че мюоните се държат по начин, който не е предвиден от Стандартния модел на физиката на частиците.

Съобщението на 10 август 2023 г. е вторият резултат от експеримента във Fermilab, който е два пъти по-прецизен от първия резултат, обявен на 7 април 2021 г. Ryan Postel, Fermilab

В този експеримент се създава нещо като супа от частици в голям пръстен с диаметър 14 метра (виж снимката по-горе), в който освен реални елементарни частици се създават така наречените виртуални частици, краткотрайни двойки частици и техните античастици, които след много кратко време отново анихилират и се превръщат в светлина.

Тази супа се произвежда по-често през последните десет години и поразителното е, че с мюоните възникна един вид аномалия, магнитният момент на мюона изглежда леко се отклонява от прогнозираната стойност според Стандартния модел.

Точно с тази аномалия се занимава експериментът Muon g-2 през последните няколко години, където са получени резултатите през 2021 г. и сега отново на 10 август 2023 г. По-долу са (доста загадъчните) резултати, публикувани в четвъртък на g-2, параметърът, който вълнува физиците.

Кредит: FNAL

Сега въпросът за милион долара е: колко голям е g-2 и дали се определя само от виртуални частици, които се държат в съответствие със Стандартния модел или може би също от частици, които не познаваме, частици, които отговарят на физика извън Стандартния модел?

Новият резултат, обявен на пресконференция, е:

a = (g−2)/g = 116 592 059(22) × 10 −11,

с несигурност от 0,20 части на милион, което с грешка от 0,2 ppm повишава отклонението до 5,1 сигма, както е показано на фигурата по-горе. Ето PDF файла със статията за последните резултати и видеото на Fermilab.

Измереното g-2 се отклонява силно от стойността на Стандартния модел със статистическа достоверност от 5,1σ, което е достатъчно, за да се говори за научно доказателство за наблюдение, което се отклонява от Стандартния модел. Проблемът е, че и двата приноса към аномалията g-2 са толкова различни и всеки има своя граница на грешка, освен това има два начина за изчисляването им и не е ясно кой е правилният. И в резултат на това в момента не е известно каква точно е прогнозата на Стандартния модел за g-2. Така че, въпреки че измерването е извършено много точно, стандартът SM, с който да се сравни това измерване, не е наличен и следователно надеждността от 5.1σ може да загуби смисъл.

Тълкуването е различно според избрания метод. Затова от Fermilab се предлага да бъдем внимателни с представяането на този нов резултат. Трябва да се подчертае, че направеното измерване е много трудно, експериментален крайъгълен камък, нищо повече.

Смята се, че през лятото на 2024 г. може да се даде повече яснота относно правилната теоретична стойност, която трябва да има g-2, тъй като тогава ще бъдат известни и резултатите от други експерименти. Въпросът е само дали всеки има търпение за това. Вече може да се види, че вече някои издания развълнувани говорят за нова физика, за съществуването на пета сила на природата въз основа на представените сега резултати.

Всъщност все още е твърде рано за това и първо трябва да изчакаме дискусията за правилната стойност на Стандартния модел за g-2 и резултатите от други експерименти (като руския експеримент CMD-3, BABAR и BESIII).

"Прецизното измерване на фундаментална константа е траен резултат, който ще продължи да носи дивиденти в бъдеще", коментира Присила Кушман (Priscilla Cushman), физик от Университета на Минесота, който е работил върху по-ранен експеримент g-2. "Въпреки че може да се наложи да изчакаме, докато теорията бъде подредена, за да имаме доверие в размера на несъответствието със Стандартния модел, g-2 кампанията за измерване във Fermilab даде златния стандарт, по който трябва да се оценяват всички новопредложени частици и взаимодействия.""

Тя отбелязва, че независимо дали учените предлагат нови кандидати за тъмна материя или се опитват да разберат аномални резултати от сблъсъци на частици със свръхвисока енергия, като тези, извършени в Големия адронен колайдер, моделите, които използват, трябва да са в съответствие с ограниченията, наложени от g-2.

Справка: Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.20 ppm, Physical Review Letters (2023).

Източник

Muon g-2 doubles down with latest measurement, explores uncharted territory in search of new physics, Fermi National Accelerator Laboratory

Mismatch with Standard-Model Predictions Reaches 5 Sigma, Physics 16, 139

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !