Dokážete zvážit slona před a poté, co zvedne minci s jednou rupií a poznat rozdíl? Můžete, pokud je měření přesné. Aby se zjistila 4-gramová mince na 4-tunové stvoření, musí měřítka přicházet s rozlišením alespoň 1 dílu na milion (ppm). Přesná měření, jako jsou tato, rutinně vedou k překvapivým objevům v základní fyzice. To je to, co fyzik Albert Michelson myslel na „budoucí pravdy o fyzikální vědě na šestém místě desetinných míst“.
Letos v červnu, Muon G-2 (vyslovený „gee mínus dva“) experiment ve Fermilabu v USA prezentováno jeho vysoce očekávané konečné výsledky. S údaji shromážděnými během tří let a se zapojením více než 170 fyziků měřila spolupráce jedinečnou vlastnost subatomické částice zvané muon s bezprecedentní přesností 0,127 ppm, což předstihlo její stanovený cíl 0,140 ppm.
Fyzici obvykle kontrolují taková měření proti predikci standardního modelu, teorii subatomických částic, které předpovídají jejich vlastnosti. Pokud se neshodují, naměřená hodnota by naznačila přítomnost neviditelných sil. V tomto případě však existují dva způsoby, jak vytvořit teoretické předpovědi o této vlastnosti Muon. Jeden z nich je v souladu s experimentem Fermilab a druhý je daleko. Nikdo neví, co má opravdu pravdu, a v posledních několika letech se rozvíjelo zajímavé drama bez jasného řešení v dohledu.
G mínus 2
Muon je elementární částice, která napodobuje elektron v každé vlastnosti, s výjimkou 207krát těžší. Objevený v roce 1936 v Cosmic Rays, jeho místo ve vzoru standardního modelu bylo a stále je to záhadou, což přimělo fyzika Isidora Rabiho, aby poznamenal: „Kdo to nařídil?“
Muon nese nenulovou kvantovou rotaci, což znamená, že funguje jako drobný magnet. Síla tohoto magnetu, nazývaná magnetický okamžik, je zachycena množstvím zvaném G faktor. Při výpočtu střední školy, G by to bylo přesně 2, ale v pokročilé teorii jeho hodnota unáší nepatrný kousek ze 2 kvůli kvantovému polnímu efektům. Je to takzvaný neobvyklý magnetický okamžik, kdy muon G-2 Experiment pečlivě zjistil.
Měření G-2 MUON byl poprvé vyroben v CERN v Evropě a výsledky byly zveřejněny v roce 1961 s definicí 4000 ppm. Během následujících dvou desetiletí v CERN byla přesnost zlepšena na 7 ppm. Věci se zajímaly o zajímavou transatlantickou otočení, když experiment Muon E821 v Brookhaven National Lab v USA vzal údaje v letech 1997 až 2001 a dosaženo Přesnost 0,540 ppm, která byla podobná nejistotě v teoretické predikci. Jinými slovy, dvě čísla – teoretický výpočet a pozorovaná hodnota – lze smysluplně porovnat.
A hle, hle, výrazně nesouhlasili.
Kontrast s teorií
Zdálo se, že v experimentu nebylo nic špatného, tolik fyziků se vsadilo, že neshoda byla náznakem „Nová fyzika“. Četná vysvětlení týkající se teorií nad standardním modelem se v následujících dvou desetiletích nalila do literatury. Současně se sami teoretičtí fyzik stal zdokonalil samotnou standardní predikci modelu, což nebyl průměrný úkol.
Tak stál záležitosti, dokud Fermilab nezačal měřit G-2 v roce 2017. Když do roku 2021 shromáždil pouze 6% z celkových zamýšlených údajů, již dosáhl přesnosti 0,460 ppm, srovnatelný s E821. Tento první výsledek byl v tak vynikající shodě s údaji E821, že když byly dva výsledky kombinovány, nesoulad s teorií prohloubil znepokojivé úrovně.
Ale podívaná tam nekončila. V ten samý den, kdy Fermilab oznámil tento výsledek pro mnoho fanfár, tiše objevil se v Příroda Nový článek, ve kterém skupina fyziků, nazývaná spolupráce pro spolupráci v Budapešti-Marseille-Wuppertal (BMW), tvrdila, že nakonec nemůže existovat mezera mezi teorií a hodnotami experimentu.
Teoretici vypočítají muon G-2 Pomocí buď (i) Feynmanových diagramů, nástroje, který sloužil výpočty v teorii kvantového pole po dobu tří čtvrtin století, nebo (ii) takzvanou mříž, simulaci SpaceTime jako diskretizovanou mřížku, která představuje kvantová pole. Oba přístupy jsou v této souvislosti technicky velmi náročné.
Konečné výsledky ve Fermilabu od června jsou méně matoucí. Jsou v souladu s jejich minulými oznámeními; Je to jejich kontrast s teorií, která je rozrušená.
Starý přítel
Samotné experimentální nastavení bylo geniální. Paprsek anti-muonů je injikován do 15 m-moudrého prstence s jednotným magnetickým polem. Tam antičástice vytvářejí kruhové oběžné dráhy s charakteristickou frekvencí. Mezitím se v magnetickém poli rotují spinovací vektory antičástice – jejich základní vlastnost jejich – a podobají se točícím vrcholům a točí se s určitou frekvencí spin. Ústřední představou je měřit rozdíl mezi frekvencí kruhových drah a frekvencemi spin. Tento rozdíl nese přímé informace o Muon’s G-2 Hodnota.
Na tomto principu fungovaly jak E821, tak Fermilab. To není nemožné. Fermilab znovu použil část zařízení E821, a proto některé neznámé defekty mohly způsobit, že jejich přítomnost pociťovala i v datech Fermilab. Proto je zásadní mít zcela nezávislé měření jiným experimentálním přístupem. An nadcházející úsilí Ve výzkumném komplexu Japan Proton Accelerator to udělá právě toto.
Nejistota je starým přítelem základní fyziky. Vždycky nesl slib bezprostředního odhalení hlubokého tajemství přírody. Nyní čekáme na další slovo od teoretiků a doufáme, že porota brzy bude.
Nirmal Raj je docentem teoretické fyziky v Centru pro fyziku s vysokou energií v Indickém institutu vědy v Bengaluru.
Publikováno – 13. srpna 2025 05:30
