Muon g-2 با آخرین اندازه‌گیری‌ها دو برابر می‌شود، در جستجوی فیزیک جدید، قلمروی ناشناخته را کاوش می‌کند

Newswise – Batavia, IL 10 اوت 2023 – اکنون فیزیکدانان اندازه گیری کاملاً جدیدی از خاصیت میون به نام گشتاور مغناطیسی غیرعادی دارند که دقت نتیجه قبلی آنها را با ضریب 2 بهبود می بخشد.

همکاری بین المللی دانشمندانی که روی آزمایش Muon g-2 در آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده کار می کنند. اعلام کرد اندازه گیری به روز شده مدت ها مورد انتظار در 10 اوت. این ارزش جدید تقویت می شود اولین نتیجه آنها در آوریل 2021 اعلام کردند و یک برخورد 20 ساله بین تئوری و آزمایش ایجاد کردند.

ما واقعاً در حال کاوش در قلمرو جدید هستیم. برندان کیسی، دانشمند ارشد در Fermilab که از سال 2008 روی آزمایش Muon g-2 کار کرده است، گفت: ما در حال تعیین گشتاور مغناطیسی میون با دقت بهتری نسبت به قبل هستیم.

فیزیکدانان با نظریه ای که به آن معروف است توضیح می دهند که جهان در اساسی ترین سطح خود چگونه کار می کند مدل استاندارد. با انجام پیش‌بینی‌هایی بر اساس مدل استاندارد و مقایسه آنها با نتایج تجربی، فیزیکدانان می‌توانند بفهمند که آیا این نظریه کامل است یا فیزیک فراتر از مدل استاندارد وجود دارد.

میونی ذرات بنیادی هستند که شبیه الکترون ها هستند اما حدود 200 برابر جرم دارند. به عنوان الکترون، میون ها دارای آهنربای داخلی کوچکی هستند که در حضور میدان مغناطیسی مانند محور یک فرفره چرخاننده یا تکان می خورد. سرعت امتداد در یک میدان مغناطیسی معین به گشتاور مغناطیسی میون بستگی دارد که معمولاً با حرف نشان داده می شود g; در ساده ترین سطح، نظریه پیش بینی می کند که g باید برابر با 2 باشد.

تفاوت از g از 2 – یا g منهای 2 – را می توان به برهمکنش میون با ذرات موجود در فوم کوانتومی که آن را احاطه کرده است نسبت داد. این ذرات به درون و خارج از وجود چشمک می زنند و به عنوان «شریک رقص» زیر اتمی، «دست» میون را می گیرند و نحوه تعامل میون با میدان مغناطیسی را تغییر می دهند. مدل استاندارد شامل تمام ذرات شناخته شده “همسر رقص” است و چگونگی تغییر فوم کوانتومی را پیش بینی می کند g. اما ممکن است بیشتر باشد. فیزیکدانان از وجود احتمالی ذرات هنوز کشف نشده که به ارزش g-2 – و پنجره ای را برای کشف فیزیک جدید باز می کند.

نتیجه آزمایشی جدید، بر اساس داده های سه سال اول، اعلام شده توسط همکاری Muon g-2 به شرح زیر است:

g-2 = 0.00233184110 +/- 0.00000000043 (آمار) +/- 0.00000000019 (سیستم)

اندازه گیری g-2 با دقت 0.20 قسمت در میلیون مطابقت دارد. همکاری Muon g-2 نتیجه را در مقاله ای شرح می دهد ارسال شده امروز بله نامه معاینه فیزیکی.

با این اندازه گیری، این همکاری قبلاً به هدف خود در کاهش یک نوع خاص از عدم قطعیت رسیده است: عدم قطعیت ناشی از نقص های تجربی، که به نام عدم قطعیت سیستماتیک شناخته می شود.

پیتر وینتر، یکی از نویسندگان همکاری Muon g-2 گفت: “این اندازه گیری یک دستاورد تجربی شگفت انگیز است.” کاهش عدم قطعیت سیستماتیک به این سطح یک کار بزرگ است و چیزی است که ما انتظار نداشتیم به این زودی به آن برسیم.

اگرچه مجموع عدم قطعیت سیستماتیک قبلاً از هدف طراحی فراتر رفته است، جنبه بزرگتر عدم قطعیت – عدم قطعیت آماری – توسط مقدار داده های تحلیل شده هدایت می شود. نتیجه اعلام شده امروز دو سال دیگر به اولین نتیجه اضافه می کند. آزمایش Fermilab زمانی به عدم قطعیت آماری نهایی خود خواهد رسید که دانشمندان تمام داده های شش ساله را در تجزیه و تحلیل خود گنجانده باشند، که هدف این همکاری در چند سال آینده تکمیل است.

برای انجام اندازه‌گیری، همکاری Muon g-2 بارها و بارها یک پرتو فرستاد میون ها در یک حلقه ذخیره مغناطیسی ابررسانا به قطر 50 فوت، جایی که آنها حدود 1000 بار با سرعت تقریباً نور به گردش در آمدند. آشکارسازهایی که حلقه را پوشانده بودند به دانشمندان اجازه دادند تا سرعت تعیین کنند میون ها آنها پیشی گرفتند. فیزیکدانان همچنین باید شدت میدان مغناطیسی را دقیقا اندازه گیری کنند تا سپس مقدار g-2 را تعیین کنند.

آزمایش Fermilab از یک حلقه ذخیره‌سازی مجدد استفاده کرد که در ابتدا برای آزمایش سلف Muon g-2 در آزمایشگاه ملی بروک‌هاون DOE که در سال 2001 به پایان رسید، ایجاد شده بود. در سال 2013، این همکاری حمل می شود حلقه انبار 3200 مایلی از لانگ آیلند، نیویورک، تا باتاویا، ایلینوی. طی چهار سال آینده، این همکاری این آزمایش را با تکنیک‌ها، ابزارها و شبیه‌سازی‌های بهبودیافته گرد هم آورد. هدف اصلی آزمایش Fermilab کاهش عدم قطعیت g-2 تا ضریب چهار در مقایسه با نتیجه بروکهاون است.

گرازیانو ونانزونی، استاد دانشگاه لیورپول وابسته به مؤسسه ملی فیزیک هسته‌ای ایتالیا، پیزا و یکی از نویسندگان Muon g-2 می‌گوید: «اندازه‌گیری جدید ما بسیار هیجان‌انگیز است زیرا ما را بسیار فراتر از حساسیت بروکهاون می‌برد. آزمایش در فرمیلب

علاوه بر مجموعه داده های بزرگتر، این آخرین اندازه گیری g-2 با به روز رسانی های خود آزمایش Fermilab افزایش یافته است. کیسی که اخیراً به عنوان یک همایش با Venanzoni پایان داده است، گفت: “ما بین سال اول جمع آوری داده ها و سال های دوم و سوم پیشرفت زیادی کردیم.” ما دائماً در حال بهبود آزمایش بودیم.»

این آزمایش برای سه سال گذشته جمع‌آوری داده‌ها، که در 9 ژوئیه 2023 به پایان رسید، “واقعاً روی همه سیلندرها شلیک می‌کرد” بود. این همکاری سپس پرتو میون را خاموش کرد و آزمایش را پس از شش سال جمع‌آوری داده‌ها پایان داد. آنها به هدف جمع آوری مجموعه داده ای دست یافتند که بیش از 21 برابر بزرگتر از مجموعه داده های بروکهاون است.

فیزیکدانان می توانند تاثیرات مدل استاندارد معروف “شرکای رقص” را بر روی میون g-2 با دقت باورنکردنی محاسبه کنند. محاسبات الکترومغناطیسی، هسته ای ضعیف و نیروهای هسته ای قوی، از جمله فوتون ها، الکترون ها، کوارک ها، گلوئون ها، نوترینوها، بوزون های W و Z و بوزون هیگز. اگر مدل استاندارد درست باشد، این پیش‌بینی فوق‌العاده دقیق باید با اندازه‌گیری تجربی مطابقت داشته باشد.

محاسبه پیش‌بینی مدل استاندارد برای میون g-2 بسیار چالش برانگیز است. در سال 2020، ابتکار نظریه Muon g-2 اعلام کرد بهترین پیش‌بینی مدل استاندارد برای میون g-2 در آن زمان موجود است. اما یک اندازه‌گیری تجربی جدید از داده‌ها که متناسب با پیش‌بینی است و یک محاسبه جدید مبتنی بر رویکرد نظری متفاوت – نظریه گیج شبکه – با محاسبه 2020 در تضاد است. دانشمندان در Muon g-2 Theory Initiative قصد دارند یک رویکرد جدید داشته باشند. پیش آگهی بهبود یافته در چند سال آینده در دسترس است که به هر دو رویکرد نظری می پردازد.

میون g-2 مشارکت نزدیک به 200 دانشمند از 34 مؤسسه در هفت کشور جهان را شامل می شود و تاکنون نزدیک به 40 دانشجو را شامل می شود که بر اساس کار خود در این آزمایش دکترا دریافت کرده اند. همکاران اکنون چند سال آینده را صرف تجزیه و تحلیل داده های سه سال گذشته خواهند کرد. ونانزونی گفت: «ما انتظار داریم تا زمانی که کارمان تمام شد، ضریب دو برای دقت بیشتر شود.

این همکاری انتشار آخرین و دقیق‌ترین اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی میون را در سال 2025 پیش‌بینی می‌کند – که مرحله نهایی بین تئوری و آزمایش مدل استاندارد را تنظیم می‌کند. تا آن زمان، فیزیکدانان اندازه گیری جدید و بهبود یافته ای از میون g-2 دارند که گامی مهم به سوی هدف نهایی فیزیک است.

آزمایش Muon g-2 توسط وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. بنیاد ملی علوم (ایالات متحده آمریکا)؛ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (ایتالیا)؛ شورای تأسیسات علم و فناوری (بریتانیا)؛ انجمن سلطنتی (بریتانیا)؛ افق 2020 اتحادیه اروپا؛ بنیاد ملی علوم طبیعی چین؛ MSIP، NRF و IBS-R017-D1 (جمهوری کره)؛ و بنیاد تحقیقات آلمان (DFG).

Fermilab آزمایشگاه ملی پیشرو در آمریکا برای تحقیقات فیزیک ذرات است. آزمایشگاه علمی وزارت انرژی ایالات متحده، Fermilab، در نزدیکی شیکاگو، ایلینویز واقع شده است و تحت قراردادی توسط Fermi Research Alliance LLC اداره می شود. از وب سایت Fermilab در https://www.fnal.gov و ما را در توییتر دنبال کنید @Fermilab.

دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://science.energy.gov.

###