הרגע המגנטי של המיון היווה פאזל מדעי בשל ההבדל הקל בין ערכיו התיאורטיים והניסיוניים, דבר המצביע על אינטראקציות עם חלקיקים או כוחות לא ידועים. מחקר הכולל הדמיות קוונטיות מתקדמות החל לפענח את הפערים הללו, ולהציע תובנות לגבי המאפיינים הבסיסיים של מיואונים והאינטראקציות שלהם בפיזיקה של חלקיקים. קרדיט: twoday.co.il.com
החוקרים זיהו את מקורם של אי-התאמות בתחזיות האחרונות של הרגע המגנטי של המיון. הממצאים שלהם יכולים לתרום לחקירת החומר האפל והיבטים אחרים של הפיזיקה החדשה.
מומנט מגנטי הוא תכונה מהותית של חלקיק עם ספין, הנובעת מאינטראקציה בין החלקיק למגנט או לעצם אחר עם שדה מגנטי. כמו מסה ומטען חשמלי, מומנט מגנטי הוא אחד מהגדלים הבסיסיים של הפיזיקה. יש הבדל בין הערך התיאורטי של המומנט המגנטי של מיאון, חלקיק ששייך לאותה מחלקה של האלקטרון, לבין הערכים המתקבלים בניסויים עתירי אנרגיה שנערכו במאיצי חלקיקים.
ההבדל מופיע רק במקום השמיני העשרוני, אבל מדענים הסתקרנו ממנו מאז שהוא התגלה ב-1948. זה לא פרט: הוא יכול להצביע אם המיאון מקיים אינטראקציה עם חלקיקי חומר אפל או בוזונים אחרים של היגס, או אפילו אם לא ידוע. כוחות מעורבים בתהליך.
אי התאמות במומנט המגנטי של מואון
הערך התיאורטי של המומנט המגנטי של המיון, המיוצג על ידי האות g, ניתן על ידי משוואת דיראק – שנוסחה על ידי הפיזיקאי האנגלי וחתן פרס נובל לשנת 1933 פאולו דיראק (1902-1984), ממייסדי מכניקת הקוונטים והאלקטרודינמיקה הקוונטית – כמו 2. עם זאת, ניסויים הראו ש-g הוא לא בדיוק 2 ויש עניין רב בהבנת "g-2", כלומר ההבדל בין הערך הניסיוני לערך החזוי על ידי משוואת דיראק. הערך הניסוי הטוב ביותר הקיים כיום, שהושג ברמת דיוק מרשימה במעבדת האצה הלאומית של Fermi (Fermilab) בארצות הברית והוכרז באוגוסט 2023, הוא 2.00116592059, עם טווח אי ודאות של פלוס מינוס 0.000000000022.
"קביעה מדויקת של המומנט המגנטי של המיון הפכה לנושא מפתח בפיזיקה של החלקיקים, משום שחקירת הפער הזה בין הנתונים הניסויים לתחזית התיאורטית יכולה לספק מידע שעלול להוביל לגילוי של אפקט חדש ומרהיב", הפיזיקאי דיוגו בויטו, א. פרופסור במכון לפיזיקה בסאו קרלוס באוניברסיטת סאו פאולו (IFSC-USP), אמר לאגנסיה FAPESP.
מאמר בנושא מאת בויטו ומשתפי פעולה מתפרסם בכתב העת מכתבי סקירה פיזית.
תובנות חדשות ממחקר
"התוצאות שלנו הוצגו בשני אירועים בינלאומיים חשובים. תחילה על ידי במהלך סדנה במדריד, ספרד, ומאוחר יותר על ידי עמיתי מרטן גולטרמן מאוניברסיטת סן פרנסיסקו סטייט בפגישה בברן, שוויץ", אמר בויטו.
תוצאות אלו מכמתות ומצביעות על המקור של אי התאמה בין שתי השיטות המשמשות לביצוע תחזיות נוכחיות של muon g-2. "ישנן כיום שתי שיטות לקביעת מרכיב בסיסי של g-2. הראשון מבוסס על נתונים ניסיוניים, והשני על הדמיות מחשב של כרומודינמיקה קוונטית, או QCD, התיאוריה החוקרת אינטראקציות חזקות בין קווארקים. שתי השיטות הללו מניבות תוצאות שונות למדי, וזו בעיה גדולה. עד שזה לא ייפתר, לא נוכל לחקור את התרומות של חלקיקים אקזוטיים אפשריים כמו בוזונים חדשים של היגס או חומר אפל, למשל, ל-g-2", הסביר.
המחקר הצליח להסביר את הפער, אבל כדי להבין אותו צריך לקחת כמה צעדים אחורה ולהתחיל מחדש עם תיאור קצת יותר מפורט של המואון.
טבעת אחסון המיאון ב-Fermilab. קרדיט: ריידר האן, פרמילאב
המיון הוא חלקיק ששייך למחלקת הלפטונים, כמו האלקטרון, אך בעל מסה גדולה בהרבה. מסיבה זו, הוא לא יציב ושורד רק לזמן קצר מאוד בהקשר של אנרגיה גבוהה. כאשר מיואונים מקיימים אינטראקציה זה עם זה בנוכחות שדה מגנטי, הם מתפוררים ומתקבצים מחדש כענן של חלקיקים אחרים, כגון אלקטרונים, פוזיטרונים, בוזוני W ו-Z, בוזוני היגס ופוטונים. בניסויים, מיואונים מלווים, אם כן, תמיד בחלקיקים וירטואליים רבים אחרים. התרומות שלהם הופכות את המומנט המגנטי האמיתי שנמדד בניסויים לגדול מהמומנט המגנטי התיאורטי שחושב על ידי משוואת דיראק, ששווה ל-2.
"כדי להשיג את ההבדל (g-2), יש צורך לשקול את כל התרומות הללו – שתיהן אלו שנחזה על ידי QCD (במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים) ואחרים שהם קטנים יותר אך מופיעים במדידות ניסיוניות ברמת דיוק גבוהה. אנחנו מכירים כמה מהתרומות האלה היטב – אבל לא את כולן", אמר בויטו.
את ההשפעות של אינטראקציה חזקה של QCD לא ניתן לחשב תיאורטית בלבד, שכן בכמה משטרי אנרגיה הם בלתי מעשיים, ולכן ישנן שתי אפשרויות. אחד מהם נמצא בשימוש כבר זמן מה וכרוך בשימוש בנתונים הניסויים המתקבלים מהתנגשויות אלקטרונים-פוזיטרון, היוצרות חלקיקים אחרים המורכבים מקווארקים. השני הוא סריג QCD, שהפך לתחרותי רק בעשור הנוכחי וכרוך בהדמיית התהליך התיאורטי במחשב-על.
"הבעיה העיקרית בחיזוי של muon g-2 כרגע היא שהתוצאה המתקבלת באמצעות נתונים מהתנגשויות אלקטרונים-פוזיטרון אינה תואמת את התוצאה הכוללת של הניסוי, בעוד שהתוצאות המבוססות על סריג QCD כן. אף אחד לא היה בטוח למה, והמחקר שלנו מבהיר חלק מהפאזל הזה", אמר בויטו.
הוא ועמיתיו ערכו את המחקר שלהם בדיוק כדי לפתור בעיה זו. "המאמר מדווח על הממצאים של מספר מחקרים שבהם פיתחנו שיטה חדשה להשוואת התוצאות של סימולציות QCD עם התוצאות המבוססות על נתונים ניסיוניים. אנחנו מראים שאפשר לחלץ מהנתונים תרומות שמחושבות בסריג בדיוק רב – תרומות של מה שנקרא דיאגרמות פיינמן מחוברות", אמר.
הפיזיקאי התיאורטי האמריקני ריצ'רד פיינמן (1918-1988) זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1965 (עם ג'וליאן שווינגר ו-Shin'ichiro Tomonaga) על עבודה בסיסית באלקטרודינמיקה קוונטית ובפיזיקה של חלקיקים יסודיים. דיאגרמות פיינמן, שנוצרו ב-1948, הן ייצוגים גרפיים של הביטויים המתמטיים המתארים את האינטראקציה של חלקיקים כאלה ומשמשים לפשט את החישובים המתאימים.
"במחקר, השגנו את התרומות של דיאגרמות פיינמן מחוברות במה שנקרא 'חלון אנרגיה ביניים' בדייקנות רבה בפעם הראשונה. כיום יש לנו שמונה תוצאות עבור תרומות אלו, המתקבלות באמצעות סימולציות QCD סריג, וכולן מסכימות במידה משמעותית. יתר על כן, אנו מראים שהתוצאות המבוססות על נתוני אינטראקציה בין אלקטרונים-פוזיטרון אינן מתאימות עם שמונה התוצאות הללו מסימולציות", אמר בויטו.
זה איפשר לחוקרים לאתר את מקור הבעיה ולחשוב על פתרונות אפשריים. "התברר שאם נתוני הניסוי של ערוץ שני הפיונים יזלזלו מסיבה כלשהי, זה יכול להיות הגורם לאי ההתאמה", אמר. פיונים הם מזוונים – חלקיקים המורכבים מקווארק ומאנטיקווארק המיוצרים בהתנגשויות באנרגיה גבוהה.
למעשה, נראה כי נתונים חדשים (שעדיין עוברים ביקורת עמיתים) מניסוי CMD-3 שנערך באוניברסיטת נובוסיבירסק ברוסיה, מראים כי ייתכן שהנתונים הוותיקים ביותר של ערוץ שני פיוונים הוזלו מסיבה כלשהי.
השתתפותו של בויטו במחקר הייתה חלק מהפרויקט שלו "בדיקת המודל הסטנדרטי: מדויק QCD ו-muon g-2", שבגינו העניקה לו FAPESP מענק חוקרים צעירים שלב 2.
