نتیجهٔ نهایی آزمایشی میون همچنان نظریه‌پردازان را به چالش می‌کشد
برای فیزیک‌دانان تجربی، جدیدترین اندازه‌گیری میون زمان خوشی است. برای نظریه‌پردازان هنوز کاری برای انجام دادن باقی مانده است.
با برخورد ۳۰۰ میلیارد میون در طول چهار سال در آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی فِرمی در ایالات متحده، همیاری میون g‑2—متشکل از بیش از ۲۰۰ پژوهشگر—توانست شدت مغناطیسی میون را با دقتی بی‌نظیر، یعنی ۱۲۷ قسمت در هر میلیاردم، اندازه‌گیری کند.
این نتایج نهایی دربارهٔ مومنت مغناطیسی میون—که با اندازه‌گیری فرکانس تکانش مومنت در یک میدان مغناطیسی خارجی به دست آمده است—پایان یک زنجیرهٔ تلاش‌های آزمایشی است که به‌سی سال پیش باز می‌گردد و در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.
پیش‌زمینهٔ نظری و اصلاحات کوانتومی
میون برادر سنگین‌تر الکترون است، با جرمی حدود ۲۰۷ برابر بزرگتر اما ناپایدار، با زمان عمر متوسط ۲٫۲ میکروثانیه. چرخش آن همان ½ (در واحد ثابت پلانک کاهش‌یافته) است. بنابراین مومنت مغناطیسی کلاسیک میون—معیاری از رفتار چرخش آن شبیه یک آهن‌داد در میدان مغناطیسی—باید همانند الکترون باشد؛ این مورد پیش از در نظر گرفتن نظریه میدانی کوانتومی است. این آغاز داستان بود، ابتدا با الکترون، با قهرمان اولیهٔ فیزیک‌دانی آمریکایی جولیان شوئینگر.
نظریهٔ دیراک، که مکانیک کوانتومی شرودینگر را با نسبیت خاص ترکیب می‌کند، مومنت مغناطیسی چرخشی برابر با دقیقاً یک بوهر مگنتون را پیش‌بینی می‌کند. فیزیک‌دان‌ها این مقدار را با استفاده از ضریب بدون بعدی به نام g‑فاکتور یا نسبت ژیرو‑مغناطیسی طبقه‌بندی می‌کنند؛ معادلهٔ دیراک مقدار ۲ را برای آن پیش‌بینی می‌کند. (معادلهٔ شرودینگر، که در ساده‌ترین نسخهٔ مکانیک کوانتومی چرخش را ندارد، مقدار صفر می‌دهد.)
نظریه میدانی کوانتومی، که فراتر از نظریهٔ دیراک می‌رود و اصلاحات تابشی ناشی از ذرات مجازی بسیار کوتاه‌عمر در میدان را در نظر می‌گیرد، مقدار کمی بالاتر پیش‌بینی می‌کند؛ به همین دلیل مقدار g‑۲ به‌عنوان مورد علاقه مطرح شده است.
شوئینگر، نظریه‌دانی که دکترای خود را در سن ۲۱ سالگی دریافت کرد، اولین بار در سال ۱۹۴۸ مقدار مومنت مغناطیسی نابهنجار الکترون را در حضور یک میدان مغناطیسی پیش‌بینی کرد؛ این مقدار بر پایهٔ «اصلاحات تابشی» در نظریه میدانی کوانتومی الکترودینامیک او به صورت α/2π بود که α ثابت ساختار باریه است و تقریباً برابر ۱/۱۳۷ می‌باشد. (شوئینگر آن‌قدر به این معادله افتخار می‌کرد که آن را بر سنگ قبر خود و همسرش حک کرده بود.)
عامل g‑۲ برای الکترون اکنون تا مرتبهٔ تصحیحی اندک α⁵ ≈ ۲×۱۰⁻¹۱ محاسبه شده است؛ این جمله نیاز به ۱۲٬۶۷۲ نمودار فایمن دارد که برخی از آن‌ها شامل تعاملات الکتروضعیف و قوی هستند. اکثر این نمودارها به‌صورت عددی محاسبه شدند؛ پیش‌زمینهٔ این پروژهٔ طولانی‌مدت، فیزیک‌دان آمریکایی متولد ژاپن توئچیرو کوینوشیتا بود.
به طرز شگفت‌آوری، مقدار نظری با آزمایش تا بیش از ۱۰ رقم مهم مطابقت دارد و بهترین پیش‌بینی در تمام علم محسوب می‌شود.
چالش‌های محاسبهٔ میون و ابتکارات جدید
تقریباً همین‌کار برای میون نیز انجام شد. چون میون جرم بیشتری دارد (و بر این اساس انرژی بیشتری دارد، طبق معادلهٔ معادل‌سازی جرم‑انرژی اینشتین)، تعاملات دیگری به‌طور فزاینده‌ای نقش می‌آفرینند: تعاملات بیشتر با نیروی الکتروضعیف و نیروی قوی.
به‌ویژه از دیدگاه نظری، هادرون‌های مجازی مشکل‌ساز بودند؛ این‌ها از ذرات مجازی تشکیل شده‌اند که دو یا بیش از دو کوارک مجازی و گلوئون‌های مجازی را در بر می‌گیرند و توسط نیروی قوی به‌هم متصل می‌شوند. (به‌عبارت دیگر، مادهٔ بسیار بیشتری در این فضا پرواز می‌کند.) در برخی بخش‌های محاسبه، داده‌های آزمایشی از برخوردهای دیگر ذرات برای ارزیابی زیرعبارت‌ها، مانند تعاملات الکترون‑پوزیترون، استفاده شد. در سایر قسمت‌ها، نتایج نظریه مش به‌کار گرفته شد.
ابتکار نظریهٔ میون g‑2 در سال ۲۰۱۶ تأسیس شد تا بهترین پیش‌بینی ممکن را ارائه دهد؛ این پیش‌بینی که اوایل امسال منتشر شد، اختلافات بین مقادیر پیشین گروه‌های مختلف را برطرف کرد. ضمن دربرگیر داشتن عدم‌قطعی، این پیش‌بینی با نتیجهٔ آزمایشی اخیر، که توسط همکاری میون g‑2 منتشر شده، هم‌خوانی دارد.
دستاوردهای آزمایشی و پرسش‌های جاری
نتیجهٔ آزمایشگاهی، که شامل ۲٫۵ برابر تعداد برخوردهای بهترین اندازه‌گیری پیشین بود، با اندازه‌گیری نسبت فرکانس پیش‌چرخش میون‌ها به پروتون‌ها در میدان مغناطیسی حلقهٔ ذخیره‌سازی فِرم‌لاب، و به‌کارگیری دقیق‌ترین مقادیر ثابت‌های بنیادی به‌دست آمد. این نتیجه میانگین جهانی g‑۲ میون را چهار برابر بهبود داد.
مقادیر نظری و آزمایشی با هم در محدودهٔ ۱۲۷ قسمت در هر میلیاردم تطابق دارند؛ حاشیهٔ خطاهای هر دو هم‌پوشانی دارد. این همانند وزن کردن یک چرخ خودرو (لاستیک و رینگ) با دقت میلی‌گرمی است. این موفقیت بزرگی برای آزمایش‌گران است؛ اما برخی نظریه‌پردازان انتظار داشته‌اند که انحرافی غیرصفر وجود داشته باشد، که شاید نشانگر نیاز به فیزیک جدیدی چون ابرتقارن یا سایر گسترش‌های مدل استاندارد (SM) باشد، مانند آکسین، مادهٔ تاریک، ابعاد اضافی یا هیگز‌ذرهٔ دیگر.
«اما عدم‌قطعی پیش‌بینی نظری هنوز چهار برابر بزرگتر از آزمایش است»، آیدا ایکس ال‑خدرا به Phys.org گفت. ال‑خدرا، استاد فیزیک در دانشگاه ایلینویز اربانا‑شمپین و رئیس ابتکار نظریهٔ میون g‑2 است. او افزود: «این اندازه‌گیری یک دستاورد تاریخی است که سال‌ها مورد چالش قرار نخواهد گرفت…» و پیش‌بینی آن‌ها با استفاده از مدل استاندارد با آزمایش هم‌خوانی دارد.
«این بدان معناست که پرسش «آیا مدل استاندارد با مقدار آزمایشی مومنت مغناطیسی نابهنجار میون هماهنگ است یا نه؟» هنوز به‌طور کامل پاسخ داده نشده است»، او ادامه داد.
تمام «درامای» موجود، به گفتهٔ او، مربوط به «پیش‌بینی مدل استاندارد در حوزهٔ سهم قطبی‌سازی خلأ هادرونی» است، یعنی مشارکت ذرات مجازی در سهم مدل استاندارد به مومنت مغناطیسی میون. او نتیجهٔ اخیرشان را «به‌طور چشمگیری» بهتر از نتیجهٔ سال ۲۰۲۰ می‌نامد، چرا که محاسبات قبلی نظریه مش از QCD (کروماتودینامیک کوانتومی، نظریه‌ی نیروی قوی) هنوز به‌صورت کامل رسیده نبودند. کار این ابتکار ادامه خواهد یافت تا عدم‑قطعی نهایی را کاهش دهد.
آینده‌پژوهی و چالش لپتون تاو
علاوه بر بهبودهای هر دو وجه نظری و آزمایشی، هدف بلندمدت این است که کاری مشابه برای خویشاوند سنگین‌تر الکترون، لپتون تاو، انجام شود. اما در این مورد مشکل اندازه‌گیری مومنت مغناطیسی نابهنجار تاو است، زیرا نیمه‌عمر واپاشی آن تنها ۰٫۳ تریلیون ثانیه است، یعنی ده‌ام میلیون‌قسط کوتاه‌تر از میون.
در حالی که میون تقریباً ۱۵ بار دور حلقهٔ ذخیره‌سازی ۴۵ متری فِرم‌لاب می‌چرخد پیش از اینکه واپاشد، تاو تنها حدود ۱۰۰ میکرومتر پیش می‌رود.
اطلاعات بیشتر: ناشناس، «اندازه‌گیری مومنت مغناطیسی نابهنجار میون مثبت تا ۱۲۷ قسمت در هر میلیاردم»، Physical Review Letters (۲۰۲۵). DOI: 10.1103/7clf-sm2v
اطلاعات مجله: Physical Review Letters
منبع: «نتیجهٔ نهایی آزمایشی میون همچنان نظریه‌پردازان را به چالش می‌کشد» (۲۲ نوامبر ۲۰۲۵، ۲۱ نوامبر ۲۰۲۵) استخراج شده از https://phys.org/news/2025-11-experimental-result-muon-theorists.html