Magnetismul muonilor ar putea sugera o defalcare a modelului standard al fizicii

O proprietate magnetică misterioasă a particulelor subatomice numite muoni sugerează că noi particule fundamentale ar putea fi pândite nedescoperite.

Într-un experiment extrem de precis, rotațiile muonilor într-un câmp magnetic par să sfideze predicțiile modelului standard al fizicii particulelor, care descrie particulele și forțele fundamentale cunoscute. Rezultatul întărește dovezile anterioare că muonii, rudele grele de electroni, se comportă în mod neașteptat.

„Este o afacere foarte mare”, spune fizicianul teoretician Bhupal Dev de la Universitatea Washington din St. Louis. „Acesta ar putea fi semnul mult așteptat al unei noi fizici la care am sperat cu toții.”

Comportamentul greșit al muonilor ar putea indica existența unor noi tipuri de particule care modifică proprietățile magnetice ale muonilor. Muonii se comportă ca niște magneți minusculi, fiecare având un pol nord și un pol sud. Puterea acelui magnet este modificată de particulele cuantice tranzitorii care zboară în mod constant în și ies din existență, ajustând magnetismul muonului cu o cantitate cunoscută sub numele de anomalie magnetică a muonului. Fizicienii pot prezice valoarea anomaliei magnetice luând în considerare contribuțiile tuturor particulelor cunoscute. Dacă sunt ascunse particule fundamentale, efectele lor suplimentare asupra anomaliei magnetice le-ar putea dezvălui.

Muonii și electronii au o asemănare de familie, dar muonii sunt de aproximativ 200 de ori mai masivi. Acest lucru face muonii mai sensibili la efectele particulelor grele ipotetice. „Muonul ajunge la punctul ideal”, spune Aida El-Khadra de la Universitatea din Illinois din Urbana-Champaign.

Pentru a măsura subtilitățile magnetice ale muonului, fizicienii au aruncat miliarde de particule în jurul magnetului uriaș, în formă de gogoașă, al experimentului Muon g−2 la Fermilab din Batavia, Illinois.SN: 19/09/18). În interiorul acelui magnet, orientarea polilor magnetici ai muonilor s-a clătinat sau a precesat. În mod remarcabil, rata acestei precesiuni s-a îndepărtat ușor de așteptările modelului standard, raportează fizicienii pe 7 aprilie într-un seminar virtual și într-o lucrare publicată în Scrisori de revizuire fizică.

„Acesta este un experiment cu adevărat complex”, spune Tsutomu Mibe de la KEK High Energy Accelerator Research Organization din Japonia. „Aceasta este o muncă excelentă.”

Pentru a evita părtinirea, echipa a lucrat sub un secret auto-impus, păstrând numărul final ascuns pentru ei înșiși în timp ce analizau datele. În momentul de față, răspunsul a fost dezvăluit în sfârșit, spune fizicianul Meghna Bhattacharya de la Universitatea din Mississippi din Oxford, „Aveam pielea de găină”. Cercetătorii au descoperit o anomalie magnetică a muonilor de 0,00116592040, cu o precizie de 46 de milioane de procente. Predicția teoretică stabilește numărul la 0,00116591810. Această discrepanță „aluzie către o nouă fizică”, spune Bhattacharya.

O măsurătoare anterioară de acest tip, dintr-un experiment finalizat în 2001 la Brookhaven National Laboratory din Upton, NY, părea de asemenea să nu fie de acord cu predicțiile teoretice (SN: 15.02.01). Atunci când noul rezultat este combinat cu discrepanța anterioară, măsurarea diverge de la predicție printr-o măsură statistică de 4,2 sigma – atrăgător de aproape de standardul tipic de cinci sigma pentru revendicarea unei descoperiri. „Trebuie să așteptăm mai multe date din experimentul Fermilab pentru a ne convinge cu adevărat că aceasta este o descoperire reală, dar devine din ce în ce mai interesantă”, spune fizicianul teoretician Carlos Wagner de la Universitatea din Chicago.

Potrivit fizicii cuantice, muonii emit și absorb în mod constant particule într-o frenezie care face calculele teoretice ale anomaliei magnetice extrem de complexe. O echipă internațională de peste 170 de fizicieni, condusă împreună de El-Khadra, a finalizat predicția teoretică în decembrie 2020 în Rapoarte de fizică.

Mulți fizicieni cred că această predicție teoretică este solidă și este puțin probabil să se cedeze cu investigații ulterioare. Dar unele dezbateri persistă. Folosind o tehnică de calcul numită lattice QCD pentru o parte deosebit de spinoasă a calculului oferă o estimare care se apropie de valoarea măsurată experimental, fizicianul Zoltan Fodor și colegii au raportat 7 aprilie în Natură. Dacă calculul lui Fodor și al colegilor este corect, „ar putea schimba modul în care vedem experimentul”, spune Fodor, de la Universitatea de Stat din Pennsylvania, poate făcând mai ușor explicarea rezultatelor experimentale cu modelul standard. Dar el observă că predicția echipei sale ar trebui confirmată de alte calcule înainte de a fi luată la fel de serios ca predicția „standard de aur”.

Pe măsură ce fizicienii teoreticieni continuă să-și rafineze predicțiile, estimările experimentale se vor îmbunătăți și ele: fizicienii muon g−2 (pronunțat gee-minus-two) au analizat până acum doar o parte din datele lor. Și Mibe și colegii plănuiesc un experiment folosind o tehnică diferită la J-PARC, Complexul de Cercetare a Acceleratorului de Protoni din Japonia din Tokai, care va începe în 2025.

Dacă discrepanța dintre experiment și predicție persistă, oamenii de știință vor trebui să găsească o explicație care să depășească modelul standard. Fizicienii cred deja că modelul standard nu poate explica tot ce este acolo: universul pare să fie pătruns de materie întunecată invizibilă, de exemplu, pe care particulele modelului standard nu o pot explica.

Unii fizicieni speculează că explicația pentru anomalia magnetică a muonilor poate fi conectată la puzzle-uri cunoscute ale fizicii particulelor. De exemplu, o nouă particulă ar putea explica simultan materia întunecată și rezultatul Muon g−2. Sau poate exista o conexiune cu caracteristicile neașteptate ale anumitor dezintegrari ale particulelor observate în experimentul LHCb la laboratorul de fizică a particulelor CERN de lângă Geneva (SN: 20/04/17), consolidată recent de noi rezultate postate pe arXiv.org pe 22 martie.

Măsurarea Muon g−2 va intensifica astfel de investigații, spune fizicianul Muon g−2 Jason Crnkovic de la Universitatea din Mississippi. „Acesta este un rezultat interesant, deoarece va genera o mulțime de conversații.”