Predviđanje numeričke vrednosti magnetnog momenta miona je jedan od najzahtevnijih proračuna u fizici visokih energija. Neki fizičari provode najveći deo svoje karijere poboljšavajući proračun do veće preciznosti.
Zašto fizičari brinu o magnetnim osobinama ove čestice? Zato što su informacije iz svake čestice i sile kodirane u numeričkoj vrednosti mionskog magnetnog momenta. Ako možemo i da izmerimo i predvidimo ovaj broj sa ultra-visokom preciznošću, možemo testirati da li je standardni model elementarnih čestica potpun.
Mioni su identični elektronima, osim što su oko 200 puta masivniji, nisu stabilni i nakon kratkog vremena se raspadaju na elektrone i neutrine. Na najjednostavnijem nivou, teorija predviđa da bi magnetni moment miona, obično predstavljen slovom g, trebao biti jednak 2. Svako odstupanje od 2 može se pripisati kvantnom doprinosu interakcije miona sa drugim — poznatim i nepoznatim — česticama i silama. Stoga su naučnici fokusirani na predviđanje i merenje g-2.
Već postoji nekoliko merenja miona g-2. Naučnici koji rade na eksperimentu Muon g-2 u Fermi nacionalnoj akceleratorskoj laboratoriji američkog Ministarstva energetike očekuju da će kasnije ove godine objaviti rezultat najpreciznijeg ikada napravljenog merenja magnetnog momenta miona.
Istovremeno, veliki broj naučnika radi na poboljšanju predviđanja vrednosti miona g-2 Standardnog modela. Nekoliko delova ulazi u ovaj proračun, koji se odnose na elektromagnetnu silu, slabu nuklearnu silu i jaku nuklearnu silu.
Doprinos elektromagnetnih čestica poput fotona i elektrona smatra se najpreciznijim proračunom na svetu. Doprinos slabo interakcijskih čestica poput neutrina, V i Z bozona i Higsovog bozona je takođe dobro poznat. Najizazovniji deo predviđanja miona g-2 potiče od doprinosa čestica u jakoj interakciji poput kvarkova i gluona; jednačine koje regulišu njihov doprinos su veoma složene.
Iako su doprinosi kvarkova i gluona tako složeni, oni su u principu izračunljivi i razvijeno je nekoliko različitih pristupa. Jedan od ovih pristupa procenjuje doprinose korišćenjem eksperimentalnih podataka koji se odnose na nuklearnu silu u jakoj interakciji. Kada se elektroni i pozitroni sudare, oni se anihiliraju i mogu proizvesti čestice napravljene od kvarkova i gluona poput piona. Merenje koliko često pioni nastaju u ovim sudarima su upravo podaci potrebni da se predvidi snažan nuklearni doprinos mionu g-2.
Nekoliko decenija, eksperimenti na sudaračima elektron-pozitrona širom sveta merili su doprinose kvarkova i gluona, uključujući eksperimente u SAD, Italiji, Rusiji, Kini i Japanu. Rezultati svih ovih eksperimenata prikupljeni su u saradnji eksperimentalnih i teoretskih fizičara poznatih kao Muon g-2 Theori Initiative. U 2020. godini, ova grupa je objavila najbolje predviđanje Standardnog modela za mion g-2 dostupno u to vreme.
Deset meseci kasnije, Muon g-2 saradnja u Fermilabu je otkrila rezultat njihovog prvog merenja. Poređenje ova dva ukazalo je na veliko neslaganje između eksperimentalnog rezultata i predviđanja Standardnog modela. Drugim rečima, poređenje merenja sa standardnim modelom pružilo je jak dokaz da standardni model nije potpun i da bi mioni mogli da stupaju u interakciju sa još neotkrivenim česticama ili silama.
Drugi pristup koristi superkompjutere za izračunavanje složenih jednačina za interakcije kvarka i gluona pomoću numeričkog pristupa koji se naziva teorija merača rešetke. Iako je ovo dobro testiran metod za izračunavanje efekata jake sile, računarska snaga je tek nedavno postala dostupna za izvođenje proračuna za mion g-2 do potrebne preciznosti. Kao rezultat toga, proračuni rešetke objavljeni pre 2021. godine nisu bili dovoljno precizni za testiranje Standardnog modela. Međutim, proračun koji je objavila jedna grupa naučnika 2021. godine, saradnja Budimpešte-Marsej-Vupertal, proizvela je ogromno iznenađenje. Njihovo predviđanje korišćenjem teorije merača rešetke bilo je daleko od predviđanja korišćenjem podataka o elektron-pozitronima.
U poslednjih nekoliko meseci, pejzaž predviđanja za doprinos snažne sile mionu g-2 samo je postao složeniji. Nova runda podataka o elektron-pozitronima izašla je iz saradnje SND i CMD3. Ovo su dva eksperimenta sa podacima na VEPP-2000 elektron-pozitronskom sudaraču u Novosibirsku, Rusija. Rezultat iz SND saradnje se slaže sa prethodnim podacima o elektron-pozitronima, dok se rezultat iz CMD3 saradnje ne slaže sa prethodnim podacima.
Šta se događa? Iako ne postoji jednostavan odgovor, postoje zajednički napori svih uključenih zajednica da se bolje kvantifikuje predviđanje Standardnog modela. Zajednica Lattice Gauge Theori radi danonoćno na testiranju i ispitivanju predviđanja BMV saradnje u nezavisnim proračunima rešetke sa poboljšanom preciznošću koristeći različite metode. Zajednica sudarača elektron-pozitrona radi na identifikaciji mogućih razloga za razlike između rezultata CMD3 i svih prethodnih merenja. Što je još važnije, zajednica je u procesu ponavljanja ovih eksperimentalnih merenja koristeći mnogo veće skupove podataka. Naučnici takođe uvode nove nezavisne tehnike za razumevanje doprinosa jake sile, kao što je novi eksperiment predložen u CERN-u pod nazivom MUonE.
Šta ovo znači za mion g-2? Saradnja Fermilab Muon g-2 će objaviti svoj sledeći rezultat, zasnovan na podacima uzetim 2019. i 2020. godine, kasnije ove godine. Zbog velike količine dodatnih podataka koji ulaze u novu analizu, Muon g-2 saradnja očekuje da će njen rezultat biti dvostruko precizniji od prvog rezultata njihovog eksperimenta. Ali trenutna neizvesnost u predviđenoj vrednosti otežava korišćenje novog rezultata za jačanje naših prethodnih indikacija da je standardni model nekompletan i da postoje nove čestice i sile koje utiču na mion g-2.
Šta je sledeće? Eksperiment Fermilab Muon g-2 zaključio je prikupljanje podataka ovog proleća. I dalje će biti potrebno nekoliko godina da se analizira ceo skup podataka, a eksperiment očekuje da će svoj konačni rezultat objaviti 2025. U isto vreme, Inicijativa za teoriju Muona g-2 radi na podupiranju predviđene vrednosti koristeći nove podatke i nove kalkulacije rešetke koje bi takođe trebalo da budu dostupne pre 2025. Biće to veoma uzbudljiv obračun. U međuvremenu, zajednica fizike visoke energije željno iščekuje najavu najboljeg merenja na svetu iz eksperimenta Fermilab Muon g-2 kasnije ove godine.
