كيف يمكن للمكانة العشرية أن تعيد تعريف الفيزياء

خلقت العزم المغناطيسي للميون لغزًا علميًا بسبب الاختلاف البسيط بين قيمه النظرية والتجريبية، مما يشير إلى تفاعلات مع جسيمات أو قوى غير معروفة. بدأت الأبحاث التي تتضمن عمليات محاكاة كمومية متقدمة في كشف هذه المفارقات، مما يوفر نظرة ثاقبة للخصائص الأساسية للميونات وتفاعلاتها في فيزياء الجسيمات. الائتمان: SciTechDaily.com

حدد الباحثون أصل التناقضات في التنبؤات الحديثة للعزم المغناطيسي للميون. قد تساهم النتائج التي توصلوا إليها في دراسة المادة المظلمة وجوانب أخرى من الفيزياء الجديدة.

العزم المغناطيسي هو خاصية جوهرية للجسيم ذو الدوران الذي ينشأ من التفاعلات بين الجسيم والمغناطيس أو أي جسم آخر له مجال مغناطيسي. مثل الكتلة والشحنة، يعد العزم المغناطيسي أحد الكميات الأساسية في الفيزياء. هناك فرق بين القيمة النظرية للعزم المغناطيسي للميون، وهو جسيم من نفس فئة الإلكترون، والقيم التي تم الحصول عليها في تجارب الطاقة العالية التي أجريت في مسرعات الجسيمات.

ويظهر الفرق فقط في المنزلة العشرية الثامنة، لكنه أثار اهتمام العلماء منذ اكتشافه عام 1948. هذه ليست تفاصيل: فقد تشير أو لا تشير إلى ما إذا كان الميون يتفاعل مع جسيمات المادة المظلمة أو بوزونات هيغز الأخرى. القوى في العمل.

الشذوذ في اللحظة المغناطيسية للميون

القيمة النظرية للعزم المغناطيسي للميون، والتي يشار إليها بـ g، يتم الحصول عليها من خلال معادلة ديراك التي صاغها الفيزيائي الإنجليزي والحائز على جائزة نوبل عام 1933 باولو دراج (1902-1984)، أحد مؤسسي ميكانيكا الكم والديناميكا الكهربائية الكمية. مثل 2. ومع ذلك، تظهر التجارب أن g ليس بالضبط 2، وهناك اهتمام أكبر بفهم “g-2″، أي الفرق بين القيمة التجريبية والقيمة التي تنبأت بها معادلة ديراك. أفضل قيمة تجريبية متاحة حاليًا هي 2.00116592059، مع حد عدم يقين يبلغ 0.00000000022، تم الحصول عليها بدقة عالية في مختبر فيرمي الوطني للتسريع (فيرميلاب) في الولايات المتحدة وتم الإبلاغ عنها في أغسطس 2023.

وقال الفيزيائي ديوغو بويدو: “أصبح التحديد الدقيق للعزم المغناطيسي للميون مشكلة كبيرة في فيزياء الجسيمات، حيث أن فحص هذه الفجوة بين البيانات التجريبية والتنبؤ النظري يمكن أن يوفر معلومات تؤدي إلى اكتشاف بعض التأثيرات الجديدة المثيرة”. صرح أستاذ في معهد ساو كارلوس للفيزياء بجامعة ساو باولو (IFSC-USP) لوكالة FAPESP.

تم نشر مقال بويتو ومعاونيه في هذا العدد رسائل المراجعة البدنية.

رؤى جديدة من البحوث

وقال بويتو: “تم عرض نتائجنا في حدثين دوليين مهمين. الأول من خلالي خلال ورشة عمل في مدريد، إسبانيا، ثم من قبل زميلي مورتون جولدرمان من جامعة ولاية سان فرانسيسكو في اجتماع عقد في برن، سويسرا”.

تحدد هذه النتائج أصل التناقض بين الطريقتين المستخدمتين في وضع التنبؤات الحالية لـ muon g-2 وتشير إلى أصل التناقض. “توجد حاليًا طريقتان لتحديد المكونات الأساسية لـ G-2. الأولى تعتمد على البيانات التجريبية، والثانية تعتمد على المحاكاة الحاسوبية للديناميكا اللونية الكمومية، أو QCD، وهي نظرية تدرس التفاعلات القوية بين الكواركات. “الطريقتان تعطيان نتائج مختلفة تمامًا، وهي مشكلة كبيرة. “وحتى يتم حل ذلك، لن نتمكن من استكشاف مساهمات بوزونات هيغز الجديدة أو الجسيمات الغريبة المحتملة مثل المادة المظلمة، على سبيل المثال، في g-2، ” هو شرح.

نجحت الدراسة في تفسير المفارقة، ولكن لفهمها نحتاج إلى الرجوع بضع خطوات إلى الوراء والبدء من جديد بشرح أكثر تفصيلاً للميون.

حلقة تخزين الميون في فيرميلاب. الائتمان: رايدر هان، فيرميلاب

الميون هو جسيم من نفس فئة اللبتونات التي ينتمي إليها الإلكترون، ولكن بكتلة أكبر بكثير. ولهذا السبب، فهو غير مستقر ولا يبقى إلا لفترة قصيرة جدًا في بيئة عالية الطاقة. عندما تتفاعل الميونات مع بعضها البعض في وجود مجال مغناطيسي، فإنها تتحلل وتتحد مرة أخرى لتشكل سحابة من الجسيمات الأخرى مثل الإلكترونات والبوزيترونات وبوزونات W وZ وبوزونات هيغز والفوتونات. في التجارب، تكون الميونات دائمًا مصحوبة بالعديد من الجسيمات الافتراضية. مساهماتهم تجعل العزم المغناطيسي الفعلي المقاس في التجارب أكثر من العزم المغناطيسي النظري المحسوب بواسطة معادلة ديراك يساوي 2.

“للحصول على الفارق [g-2]ومن المهم أن نأخذ في الاعتبار كل هذه المساهمات، وكلاهما تنبأ به QCD [in the Standard Model of particle physics] والبعض الآخر أصغر حجمًا ولكنه يظهر في قياسات تجريبية أكثر دقة. وقال بويتو: “نحن على دراية بالعديد من هذه المساهمات، ولكن ليس جميعها”.

من الناحية النظرية، لا يمكن للديناميكية الكمية أن تفسر تأثيرات التفاعلات القوية وحدها، وفي بعض أنظمة الطاقة تكون غير عملية، لذلك هناك احتمالان. وقد تم استخدام أحدهما لبعض الوقت، ويعتمد على البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها من تصادمات الإلكترون والبوزترون، والتي تنتج جسيمات أخرى مكونة من الكواركات. وهناك نموذج آخر هو الشبكة QCD، التي أصبحت قادرة على المنافسة فقط في العقد الحالي وتحاكي العملية النظرية على الكمبيوتر العملاق.

“المشكلة الرئيسية في التنبؤ بالميون G-2 في الوقت الحالي هي أن النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام البيانات من تصادمات الإلكترون والبوزيترون لا تتفق مع النتيجة التجريبية المجمعة، في حين تتفق النتائج المستندة إلى QCD الشبكي. لا أحد متأكد من السبب، وتوضح دراستنا قال بويتو: “جزء من اللغز”.

أجرى هو وزملاؤه أبحاثهم على وجه التحديد لحل هذه المشكلة. “يورد البحث نتائج العديد من الدراسات التي طورنا فيها طريقة جديدة لمقارنة نتائج محاكاة QCD الشبكية مع البيانات التجريبية. لقد أظهرنا أنه من الممكن استخلاص المساهمات مما يسمى مخططات فاينمان المقترنة – بدقة شديدة من وقال “مساهمات البيانات المحسوبة على الشبكة”.

فاز عالم الفيزياء النظرية الأمريكي ريتشارد فاينمان (1918-1988) بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1965 (مع جوليان سوينجر وشينيتشيرو توموناكا) لعمله الأساسي في الديناميكا الكهربائية الكمومية وفيزياء الجسيمات الأولية. مخططات فاينمان، التي تم تطويرها في عام 1948، هي تمثيلات رسومية للتعبيرات الرياضية التي تصف تفاعلات هذه الجسيمات وتستخدم لتبسيط الحسابات المعنية.

“في الدراسة، حصلنا بدقة شديدة ولأول مرة على مساهمات مخططات فاينمان المقترنة في ما يسمى بـ “نافذة الطاقة المتوسطة”. وقال: “لقد أظهرنا أن النتائج لا تتفق مع هذه النتائج الثمانية للمحاكاة”. بويتو.

وقد ساعد ذلك الباحثين على تحديد مصدر المشكلة والتفكير في الحلول الممكنة. وقال: “إذا تم التقليل من البيانات التجريبية للقناة ثنائية البيون لسبب ما، فقد يكون هذا هو سبب التناقض”. البيونات هي ميزونات – جسيمات مكونة من الكواركات والأوليات تنتج في تصادمات عالية الطاقة.

في الواقع، بيانات جديدة (لا تزال قيد المراجعة من قبل النظراء). تجربة CMD-3 أظهرت دراسة أجريت في جامعة ولاية نوفوسيبيرسك في روسيا أن بيانات القناة الثنائية الثنائية البدائية قد يتم الاستهانة بها لسبب ما.

ملحوظة: “التحديد المعتمد على البيانات للمكون المقترن بالكواركات الضوئية لمساهمة النافذة الوسيطة في الميون ز−2” جانيسا بنتون، ديوغو بويدو، مورتون جولدرمان، ألكسندر كيشافيرسي، كيم مالتمان، وسانتياغو بيريز، 21 ديسمبر 2023، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

كانت مشاركة بويتو في الدراسة جزءًا من مشروعه “اختبار النموذج القياسي: QCD الدقيق وmuon g-2″، والذي منحته FAPESP منحة المرحلة الثانية للمحقق الشاب.