Wie die Dezimalstelle die Physik neu definieren könnte

Forscher haben den Ursprung der Diskrepanzen in jüngsten Vorhersagen zum magnetischen Moment des Myons identifiziert. Ihre Erkenntnisse könnten zur Erforschung der Dunklen Materie und anderen Aspekten der neuen Physik beitragen.

Ein magnetisches Moment ist eine intrinsische Eigenschaft eines rotierenden Teilchens, die aus der Wechselwirkung zwischen dem Teilchen und einem Magneten oder einem anderen Objekt mit einem Magnetfeld entsteht. Das magnetische Moment ist wie Masse und elektrische Ladung eine der Grundgrößen der Physik. Es besteht ein Unterschied zwischen dem theoretischen Wert des magnetischen Moments des Myons, einem Teilchen, das zur gleichen Klasse wie das Elektron gehört, und den Werten, die in Hochenergieexperimenten in Teilchenbeschleunigern erhalten werden.

Der Unterschied erscheint nur bis zur achten Dezimalstelle, aber Wissenschaftler interessieren sich seit seiner Entdeckung im Jahr 1948 dafür. Es handelt sich nicht um ein Detail: Es könnte darauf hinweisen, ob das Myon mit Teilchen der Dunklen Materie oder anderen Higgs-Bosonen interagiert oder ob dies sogar unbekannt ist . An dieser Operation nehmen Truppen teil.

Inkonsistenzen im magnetischen Moment des Myons

Der theoretische Wert des magnetischen Moments des Myons, dargestellt durch den Buchstaben g, wird durch die Dirac-Gleichung angegeben – formuliert vom englischen Physiker und Nobelpreisträger von 1933 Paulo Dirac (1902-1984), einem der Begründer der Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik – wie 2. Experimente haben jedoch gezeigt, dass g nicht genau 2 ist, und es besteht großes Interesse daran, „g-2“ zu verstehen, d. h. die Differenz zwischen dem experimentellen Wert und dem durch die Dirac-Gleichung vorhergesagten Wert. Der beste derzeit verfügbare experimentelle Wert, der mit erstaunlicher Präzision am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in den USA ermittelt und im August 2023 bekannt gegeben wurde, ist 2,00116592059, mit einem Unsicherheitsbereich von plus oder minus 0,00000000022.

„Die genaue Bestimmung des magnetischen Moments des Myons ist zu einem wichtigen Thema in der Teilchenphysik geworden, da die Untersuchung dieser Lücke zwischen experimentellen Daten und theoretischen Vorhersagen Informationen liefern kann, die zur Entdeckung einiger erstaunlicher neuer Effekte führen können“, sagte der Physiker Diogo Boito, Professor an der das Institut für Physik der Universität São Carlos. São Paulo (IFSC-USP) an FAPESP.

Zu diesem Thema wurde in der Zeitschrift ein Artikel von Boito und seinen Mitarbeitern veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Neue Erkenntnisse aus der Forschung

„Unsere Ergebnisse wurden auf zwei wichtigen internationalen Veranstaltungen präsentiert: Zuerst von mir während eines Workshops in Madrid, Spanien, und dann von meinem Kollegen Martin Goltermann von der San Francisco State University bei einem Treffen in Bern, Schweiz“, sagte Boito.

Diese Ergebnisse identifizieren und zeigen den Ursprung der Diskrepanz zwischen den beiden Methoden an, mit denen aktuelle Vorhersagen für Myon g-2 getroffen werden. „Derzeit gibt es zwei Methoden zur Bestimmung der Grundkomponente von g-2. Die erste basiert auf experimentellen Daten und die zweite auf Computersimulationen der Quantenchromodynamik oder QCD, der Theorie, die starke Wechselwirkungen zwischen Quarks untersucht. Diese beiden Methoden.“ zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen, was ein großes Problem darstellt.“ Er erklärte, dass wir die Beiträge möglicher exotischer Teilchen wie neuer Higgs-Bosonen oder dunkler Materie beispielsweise in g-2 nicht untersuchen können, bis dieses Problem gelöst ist.

Die Studie erklärt diese Diskrepanz erfolgreich, aber um sie zu verstehen, müssen wir ein paar Schritte zurückgehen und mit einer etwas detaillierteren Beschreibung des Myons von vorne beginnen.

Myonenspeicherring im Fermilab. Bildnachweis: Reidar Hahn, Fermilab

Ein Myon ist ein Teilchen, das wie ein Elektron zur Klasse der Leptonen gehört, aber eine viel größere Masse hat. Aus diesem Grund ist es instabil und überlebt in einem Hochenergiekontext nur sehr kurze Zeit. Wenn Myonen in Gegenwart eines Magnetfelds miteinander interagieren, zerfallen sie und bilden eine Wolke aus anderen Teilchen wie Elektronen, Positronen, W- und Z-Bosonen, Higgs-Bosonen und Photonen. Daher werden Myonen in Experimenten immer von vielen anderen virtuellen Teilchen begleitet. Ihre Beiträge führen dazu, dass das in den Experimenten tatsächlich gemessene magnetische Moment größer ist als das theoretische magnetische Moment, das durch die Dirac-Gleichung berechnet wird und gleich 2 ist.

„Für den Unterschied [g-2]Es ist notwendig, alle diese Beiträge zu berücksichtigen – sowohl die von der QCD vorhergesagten [in the Standard Model of particle physics] Andere sind kleiner, tauchen aber in hochpräzisen experimentellen Messungen auf. „Wir kennen viele dieser Beiträge gut, aber nicht alle“, sagte Boito.

Starke QCD-Wechselwirkungseffekte können nicht allein theoretisch berechnet werden, da sie in einigen Energiesystemen unpraktisch sind. Daher gibt es zwei Möglichkeiten. Eine davon ist schon seit einiger Zeit im Einsatz und beruht auf experimentellen Daten aus Elektron-Positron-Kollisionen, bei denen andere aus Quarks bestehende Teilchen entstehen. Die andere ist die Gitter-QCD, die erst in diesem Jahrzehnt wettbewerbsfähig geworden ist und die Simulation des theoretischen Prozesses in einem Supercomputer beinhaltet.

„Das Hauptproblem bei der Vorhersage von Myon g-2 besteht derzeit darin, dass das Ergebnis, das mithilfe von Daten aus Elektron-Positron-Kollisionen erhalten wurde, nicht mit dem gesamten experimentellen Ergebnis übereinstimmt, während Ergebnisse, die auf Gitter-QCD basieren, dies tun. Das war nicht der Fall“, sagte Boito. „Niemand weiß genau, warum, und unsere Studie erklärt einen Teil dieses Rätsels.“

Er und seine Kollegen führten ihre Forschungen speziell zur Lösung dieses Problems durch. „Der Artikel berichtet über die Ergebnisse einer Reihe von Studien, in denen wir eine neue Methode entwickelt haben, um die Ergebnisse von Gitter-QCD-Simulationen mit Ergebnissen basierend auf experimentellen Daten zu vergleichen. „Wir haben gezeigt, dass es möglich ist, die Beiträge berechneter Daten mit großer Genauigkeit zu extrahieren.“ Daten zum Gitter – Beiträge sogenannter Kontinuums-Feynman-Diagramme“, sagte er.

Der amerikanische theoretische Physiker Richard Feynman (1918–1988) erhielt 1965 (zusammen mit Julian Schwinger und Shinichiro Tomonaga) den Nobelpreis für Physik für seine grundlegenden Arbeiten zur Quantenelektrodynamik und Elementarteilchenphysik. Die 1948 erstellten Feynman-Diagramme sind grafische Darstellungen mathematischer Ausdrücke, die die Wechselwirkung dieser Teilchen beschreiben und zur Vereinfachung der beteiligten Berechnungen dienen.

„In dieser Studie haben wir zum ersten Mal die Beiträge von Kontinuums-Feynman-Diagrammen im sogenannten ‚Durchschnittsenergiefenster‘ mit großer Präzision erhalten. Heute haben wir acht Ergebnisse für diese Beiträge, die durch Gitter-QCD-Simulationen erhalten wurden, und sie sind alle.“ in großer Übereinstimmung. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass die Ergebnisse, die auf den Daten zur Elektron-Positron-Wechselwirkung basieren, nicht mit diesen acht Ergebnissen aus den Simulationen übereinstimmen.

Dies ermöglichte es den Forschern, die Ursache des Problems zu identifizieren und über mögliche Lösungen nachzudenken. „Es wurde klar, dass, wenn die experimentellen Daten für den Zwei-Pion-Kanal aus irgendeinem Grund unterschätzt wurden, dies der Grund für die Diskrepanz sein könnte“, sagte er. Pionen sind Mesonen, Teilchen aus Quarks und Antiquarks, die bei hochenergetischen Kollisionen entstehen.

Tatsächlich liegen neue Daten (die sich noch im Peer-Review befinden) vor CMD-3-Erfahrung Diese an der Staatlichen Universität Nowosibirsk in Russland durchgeführte Studie scheint zu zeigen, dass die ältesten binären Kanaldaten möglicherweise aus einem bestimmten Grund unterschätzt wurden.

Referenz: „Datengesteuerte Bestimmung der Light-Quark-Komponente des mittleren Fensterbeitrags zum Myon.“ g−2„Von Jenessa Benton, Diogo Boito, Martin Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman und Santiago Pires, 21. Dezember 2023, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

Boitos Teilnahme an der Studie war Teil seines Projekts „Testing the Standard Model: Precision QCD and myon g-2“, für das ihm FAPESP einen Phase-II-Nachwuchsstipendium verlieh.