Το πείραμα Muon g-2 βρίσκει ισχυρές ενδείξεις για νέα φυσική. First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics

Τα πρώτα αποτελέσματα από το πείραμα Muon g-2 στο Fermilab κλονίζουν το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων! First results from the Muon g-2 experiment at Fermilab have strengthened evidence of new physics. The centerpiece of the experiment is a 50-foot-diameter superconducting magnetic storage ring, which sits in its detector hall amidst electronics racks, the muon beamline, and other equipment. This impressive experiment operates at negative 450 degrees Fahrenheit and studies the precession (or wobble) of muons as they travel through the magnetic field. Photo: Reidar Hahn, Fermilab

Τα πρώτα αποτελέσματα του πειράματος Muon g-2 στο Fermilab επιβεβαιώνουν το αποτέλεσμα του πειράματος που πραγματοποιήθηκε στο Brookhaven National Lab πριν από δύο δεκαετίες. Τα πειράματα αυτά μετρούν την ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου βρίσκοντας μια τιμή που διαφέρει από την τιμή που υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την μέχρι σήμερα αποδεκτή θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων.

The muon is a marvelous and fascinating particle. This infographic lays out some of the particle's basic stats alongside fun facts. Artist / Creator: Diana Brandonisio. Credit: Fermilab

Το μιόνιο (συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα μ – αγγλική ονομασία muon) είναι στοιχειώδες σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο, με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο -1 και ιδιοστροφορμή (spin) 1⁄2. Μαζί με το ηλεκτρόνιο, το ταυ λεπτόνιο, και τα τρία νετρίνα, είναι ταξινομημένο ως λεπτόνιο. Είναι ένα ασταθές υποατομικό σωματίδιο και έχει τη δεύτερη πιο μακροχρόνια μέση διάρκεια ζωής (2.2 µs), μετά από το νετρόνιο (~15 λ.). Ο συνήθης τρόπος διάσπασής του είναι:

Όπως όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, το μιόνιο έχει ένα αντίστοιχο αντισωμάτιο αντίθετου φορτίου αλλά ίσης μάζας και spin: το αντιμιόνιο (επίσης αποκαλούμενο θετικό μιόνιο). Τα μιόνια συμβολίζονται με μ− και τα αντιμιόνια με μ+. Τα μιόνια αναφέρονταν μερικές φορές ως μι-μεσόνια στο παρελθόν, παρόλο που δεν κατατάσσονται ως μεσόνια από τους σύγχρονους φυσικούς που ασχολούνται με τα στοιχειώδη σωματίδια.

Thousands of people welcomed the Muon g-2 magnet to Fermilab in 2013. Data from the experiment’s first run has yielded a result with unprecedented precision. Data from four additional experimental runs will reveal the muon’s behavior in even more detail. Photo: Reidar Hahn, Fermilab

Το πείραμα Muon g-2 βρίσκεται σε εξέλιξη στο εργαστήριο Fermi National Accelerator στις ΗΠΑ. Είναι στην πραγματικότητα μια συνέχεια, ένα πείραμα που έχει σχεδιαστεί για να επανεξετάσει μια μικρή διαφορά μεταξύ της θεωρίας και των αποτελεσμάτων ενός προηγούμενου πειράματος στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, το οποίο ονομαζόταν επίσης Muon g-2. Η ασυμφωνία θα μπορούσε να είναι σημάδι ότι υπάρχει νέα φυσική. Οι επιστήμονες θέλουν να μάθουν αν επιβεβαιώνεται η μέτρηση ή αν ήταν μια άνευ ουσίας στατιστική διακύμανση.

Η θεωρητική τιμή που είναι αποδεκτή για την τιμή της ανώμαλης μαγνητικής ροπής του μιονίου είναι: 0.00116591810(43).

The first result from the Muon g-2 experiment at Fermilab confirms the result from the experiment performed at Brookhaven National Lab two decades ago. Together, the two results show strong evidence that muons diverge from the Standard Model prediction. Image: Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration

Η νέα πειραματική τιμή που ανακοίνωσε το πείραμα Muon g-2 είναι: 0.00116592061(41).

The first results from the Muon g-2 experiment hosted at Fermilab show fundamental particles called muons behaving in a way not predicted by the Standard Model of particle physics. Announced on April 7, 2021, these results confirm and strengthen the findings of an earlier experiment of the same name performed at Brookhaven National Laboratory. Combined, the two results show strong evidence that our best theoretical model of the subatomic world is incomplete. One potential explanation would be the existence of undiscovered particles or forces. This video explains what a muon is, how the Muon g-2 experiment works, and the significance of this result. Credit:
Fermilab

Συνδυάζοντας τα αποτελέσματα των Fermilab και Brookhaven δείχνουν μια διαφορά με τη θεωρία στα 4,2σ, λίγο μικρότερη από τα 5σ που απαιτείται ώστε να ισχυριστεί κάποιος νέα ανακάλυψη. Πάντως η πιθανότητα τα αποτελέσματα να είναι στατιστική διακύμανση είναι περίπου 1 στα 40.000. [Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm]. Μια πρόταση που θα μπορούσε να κρατήσει ζωντανό το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων δημοσιεύεται κατά σύμπτωση (;) στο περιοδικό Nature με τίτλο «Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD».

Ένα κόμικ για το πείραμα Muon g-2:

Ο Jorge Cham, γνωστός ως PHD Comics, παρουσιάζει την ιστορία της ανωμαλίας g-2 του μιoνίου ως κόμικ.

Πηγές: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801 - https://www.nature.com/articles/s41586-021-03418-1 - https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/ - https://physicsgg.me/2021/04/07/