Standardní model fyziky částic – nejlepší, nejdokonaleji prověřený popis vědců reality, který kdy vymyslel – se objevil, aby odrazil další hrozbu pro jeho vládu.
Alespoň to je jedna interpretace dlouho očekávaného experimentálního výsledku oznámeného 3. června fyzici ve Fermi National Accelerator Laboratory nebo Fermilab, v Batavii, Ill. Magnetický kolísání podivné subatomické částice zvané Muon—Po dosud zůstává nejvýznamnější výzvou pro nadřazenost standardního modelu. Výsledky byly Zveřejněno na serveru předtisku arxiv.org a odesláno do deníku Fyzikální kontrolní dopisy.
Muon je méně stabilní elektronů, 200-timesier Cousin. A stejně jako elektron a všechny ostatní nabité částice má vnitřní magnetismus. Když se Muonův inherentní magnetismus střetává s vnějším magnetickým polem, částice se precekuje, utahuje se a bude se jako kolísání, točící se vrchol. Fyzici popisují rychlost této precese pomocí čísla, g, což bylo téměř před stoletím teoreticky vypočteno jako přesně 2. Realita, ale upřednostňuje mírně odlišnou hodnotu, která vznikají tím, že se kolísající muon vrhl okolním mořem „virtuálních“ částic, které se v kvantovém vakuu vrhaly do a ven. Standardní model lze použít k výpočtu velikosti této odchylky, známé jako G -2, tím, že účtuje všechny vlivy různých známých částic. Ale protože G – 2 by měl být citlivý na neobjevené částice a síly, může být nesoulad mezi vypočítanou odchylkou a skutečným měřením znamení nové fyziky mimo limity vychvalovaného standardního modelu.
O podpoře vědecké žurnalistiky
Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.
To je stejně naděje. Problém je v tom, že fyziky našli dva různé způsoby, jak vypočítat G – 2, a jednu z těchto metod, na samostatnou Předtiskový papír Vydáno 27. května, nyní dává odpověď, která úzce odpovídá měření muonového anomálního magnetického okamžiku, konečný výsledek experimentu Muon G -2 hostovaný ve Fermilabu. Takže oblak nejistoty stále visí nad hlavou: byla zabita nejvýznamnější experimentální odchylka ve fyzice částic teoretickými vylepšeními právě v době, kdy došlo k nejlepšímu měření, nebo je anomálie Muon G-2 stále naživu a dobře? Tento případ nelze ještě přesvědčivě uzavřít.
Nejnovější slovo – ale ne poslední
Spolupráce Muon G -2 oznámila výsledky v úterý v zabalené hledišti ve Fermilabu a nabídla publiku (které zahrnovalo více než 1 000 lidí, kteří sledovali prostřednictvím živého proudu) krátkou historii projektu a přehled o jeho konečném výsledku. Srdcem experimentu je obří magnet o délce 50 stop, který působí jako závodní dráha pro kolísající muony. V roce 2001, při operaci v Brookhaven National Laboratory na Long Islandu, tento prsten odhalil počáteční známku dráždivé odchylky. V roce 2013 fyzici pečlivě přesunuli prsten kamionem a člunem z Brookhavenu do Fermilabu, kde by mohl využít silnějšího zdroje muonů. Spolupráce Muon G -2 začáno v roce 2017. A v roce 2021 vydáno První výsledek, který posílil dřívější náznaky zjevné anomálie, která byla dále podpořena dalšími výsledky oznámeno v roce 2023. Tento nejnovější výsledek je Capstone pro předchozí měření: Konečné měření spolupráce poskytuje hodnotu 0,001165920705 pro G – 2, v souladu s předchozími výsledky, ale s pozoruhodnou přesností 127 dílů na miliardu. To je zhruba ekvivalentní, bylo zaznamenáno během oznámení 3. června, měřit hmotnost bizona na přesnost jediného slunečnicového semene.
Přes tento působivý výkon měření zůstává interpretace tohoto výsledku zcela odlišná. Úkolem výpočtu předpovědí standardních modelů pro G – 2 je tak gargantuan, že spojil více než 100 teoretiků pro doplňkový projekt nazvaný iniciativa teorie G -2.
„Je to komunitní úsilí s tímto úkolem přijít s konsensuální hodnotou založenou na všech dostupných informacích v té době,“ říká Hartmut Wittig, profesor na University of Mainz v Německu a členem řídícího výboru pro teorii. „Odpověď na to, zda existuje nová fyzika, může záviset na tom, s jakou předpověď teorie porovnáváte. Hodnota konsensu by měla tuto nejednoznačnost ukončit.“
V roce 2020 skupina publikoval teoretický výpočet G -2, které se zdálo, že potvrzuje nesrovnalost měřením. May Presrint však přinesl významnou změnu. Rozdíl mezi teorií a experimentem je nyní menší než jedna část na miliardu, což je počet nepatrných a mnohem menší než doprovodné nejistoty, což vedlo k konsensu spolupráce, že neexistuje „napětí“ mezi předpovědi standardního modelu a měřeným výsledkem.
Virtuální (částice) šílenství
Abychom pochopili, co přineslo tento posun v předpovědích, je třeba se podívat na jednu kategorii virtuálních částic, které procházejí cestou Muonů.
„(S výjimkou gravitace) tři ze čtyř známých základních sil přispívají k G -2: elektromagnetismus, slabá interakce a silná interakce,“ vysvětluje Wittig. Vliv virtuálních fotonů (částice světla, které jsou také nositeli elektromagnetické síly) na muony, je relativně jednoduchý (i když stále pracný) například pro výpočet. Naproti tomu přesně určování účinků silné síly (která obvykle drží jádra atomů pohromadě) je mnohem těžší a je nejméně teoreticky omezená ze všech výpočtů G – 2.
Místo toho, aby se zabývaly virtuálními fotony, se tyto výpočty potýkají s virtuálními hadrony, což jsou shluky základních částic nazývaných kvarky přilepené dalšími částicemi zvanými (možná jste uhodli) gluony. Hadrony mohou komunikovat se sebou a vytvářet zamotané, přesné pokyny, které fyziky označují jako „hadronické kuličky“. nesmírně komplikující výpočty jejich příspěvků k kolísání muonů. Až do výsledku 2020 vědci nepřímo odhadli tento tzv. Hadronickou vakuovou polarizaci (HVP) k anomálii Muon G-2 experimentálně měřením pro elektrony.
O rok později však byl zaveden nový způsob výpočtu HVP na základě kvantové chromodynamiky mřížky (mříže qcd), výpočetně intenzivní metodika a rychle se zachytila.
Gilberto Colangelo, profesor na University of Bern ve Švýcarsku a člen řídícího výboru pro teorii iniciativy, poukazuje na to, že v současné době „na straně mříže se objevuje soudržný obraz z různých přístupů. Skutečnost, že se dohodnou na výsledku, je velmi dobrá indikace, že dělají správnou věc.“
Zatímco se však zlepšilo více příchutí výpočtů QCD a jejich výsledky se však sblížily, experimentální měření HVP založené na elektronech prošla opačným způsobem. Mezi sedmi experimenty, které se snaží omezit HVP a zpřísnit prediktivní přesnost, pouze jeden souhlasil s výsledky QCD mřížky, zatímco mezi jejich vlastními měřeními byla také odchylka.
„To je pro každého záhadná situace,“ poznamenává Colangelo. „Lidé provedli kontroly proti sobě. (Experimenty) byly podrobně prozkoumány; měli jsme sezení, která trvala pět hodin …. nic špatného nebylo nalezeno.“
Nakonec se teoretická iniciativa rozhodla použít pouze výsledky mříže pro faktor HVP v letošní bílé knize, zatímco práce na porozumění experimentálním výsledkům probíhá. Volba posunula celkovou předpokládanou hodnotu pro G – 2 mnohem blíže k měření Fermilabu.
Standardní model stále stojí vysoký
Standardní model zaznamenal všechny své předpovědi experimentálně testováno na vysokou přesnost, což mu poskytlo název nejúspěšnější teorie v historii. Navzdory tomu je někdy popisováno jako něco nežádoucího nebo dokonce selhávajícího, protože se nezabývá obecnými otevřenými otázkami, jako je povaha temné hmoty skrývající se v galaxiích.
V solidních podmínkách experimentálních odchylek od svých předpovědí zaznamenalo toto století vzestup a pokles mnoha falešné poplachy.
Pokud však anomálie Muon G-2 zmizí, sníží také některé přidružené uchazeče o novou fyziku posunující paradigma; Absence nových typů částic v kvantovém vakuu přinese silná omezení na teorie „mimo standardní model“. To platí zejména pro teorii supersymetrie, oblíbené mezi teoretiky, z nichž někteří přizpůsobili celou řadu předpovědí vysvětlujících muonovou anomálii G-2 jako produkt dosud nezojatých supersymetrických částic.
Kim Siang Khaw, docentka na Šanghai Jiao Tong University v Číně a člen Fermilab’s Muon G -2, nabízí pohled na to, co bude následovat. „Iniciativa teorie je stále nedokončenou prací,“ říká. „Možná budou muset dokončit několik let. (Ale) Každá fyzikální studie je nedokončená práce.“ Khaw také zmiňuje, že v současné době Fermilab se zaměřuje na opětovné použití „úložného prstenu“ a magnetu používaného v experimentu a zkoumá více nápadů, které lze s ním studovat.
A konečně, na frontě teorie, přeměňuje: „Myslím, že krása (měření G -2) a srovnání s teoretickým výpočtem je, že bez ohledu na to, zda existuje anomálie nebo žádná anomálie, učíme se o přírodě něco nového. fyzika. “
