نتیجهٔ نهایی آزمایشی میون همچنان نظریه‌پردازان را به‌چالش می‌کشد
نوشته دیوید اپل، Phys.org
برای فیزیک‌دانان آزمایشی، تازه‌ترین اندازه‌گیری میون دوران شکوفایی است؛ اما برای نظریه‌پردازان هنوز کارهایی برای پیشبرد وجود دارد.
با برخورد ۳۰۰ میلیارد میون در طول چهار سال در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فِرمی (Fermilab) در ایالات متحده، همکاران پروژه Muon g‑2 — که بیش از ۲۰۰ پژوهشگر را در بر می‌گیرد — شدت مغناطیسی میون را با دقتی بی‌نظیر اندازه‌گیری کردند: دقتی برابر با ۱۲۷ بخش در هر میلیارد.
این نتایج نهایی گشتاور مغناطیسی میون — که با فرکانس نوسان گشتاور در میدان مغناطیسی خارجی اندازه‌گیری می‌شود — پایان زنجیره‌ای از تلاش‌های آزمایشی است که به‌مدت ۳۰ سال ادامه داشته و در مجله Physical Review Letters منتشر شده‌اند.
پیش‌زمینهٔ نظری و تصحیحات کوانتومی
میون، برادر سنگین‌تر الکترون است؛ وزن آن تقریباً ۲۰۷ برابر الکترون است، اما ناپایدار بوده و عمر متوسط آن ۲٫۲ میکروثانیه می‌باشد. این ذره همان اسپین ½ (نیم ħ) را داراست. بنابراین، گشتاور مغناطیسی کلاسیک میون — که نشان می‌دهد اسپین آن چگونه همانند یک آهن‌ربای میله‌ای رفتار می‌کند — پیش از در نظر گرفتن نظریهٔ میدانی کوانتومی، باید برابر با گشتاور مغناطیسی الکترون باشد. این آغاز داستانی بود که ابتدا با الکترون آغاز شد و قهرمان اولیه آن فیزیک‌دان آمریکایی جولیان شونگر بود.
نظریهٔ دیراک، که مکانیک کوانتومی شرودینگر را با نسبیت خاص ترکیب می‌کند، گشتاور مغناطیسی اسپین را دقیقاً برابر با یک مگنتون بوهر پیش‌بینی می‌کند. فیزیک‌دانان این مقدار را با ضریب بدون‌بعد g، که نسبت گیرو‑مغناطیسی نام دارد، دسته‌بندی می‌کنند؛ معادلهٔ دیراک مقدار ۲ را برای این ضریب پیش‌بینی می‌کند. (معادلهٔ شرودینگر مقدار صفر می‌دهد، چرا که در ساده‌ترین نسخهٔ مکانیک کوانتومی، اسپین وجود ندارد.)
نظریهٔ میدانی کوانتومی که فراتر از نظریهٔ دیراک می‌رود و اصلاحات تابشی ناشی از ذرات مجازی بسیار کوتاه‌عمر در میدان را در بر می‌گیرد، مقدار کمی بالاتر را پیش‌بینی می‌کند؛ به همین دلیل مقدار g‑2 مورد توجه قرار گرفته است.
شونگر، نظریه‌پرداز بی‌نظیر که در سن ۲۱ سالگی دکترا دریافت کرده بود، اولین بار مقدار گشتاور مغناطیسی غیرعادی الکترون را در سال ۱۹۴۸ پیش‌بینی کرد؛ در یک میدان مغناطیسی، با در نظر گرفتن «تصحیحات تابشی» در نظریهٔ میدانی کوانتومی الکترودی‌نامیک او، این مقدار برابر با α/2π بود که در آن α ثابت ساختار ریز (حدود ۱/۱۳۷) است. (شونگر آن‌قدر به این معادله افتخار می‌کرد که آن را بر روی سنگ قبر خود و همسرش حک کرده بود.)
ضریب g‑2 برای الکترون هم‌اکنون تا مرتبهٔ تصحیح کوچک α⁵ ≈ ۲ × ۱۰⁻¹۱ محاسبه شده است؛ این جمله به ۱۲ ۶۷۲ دیاگرام فینمان نیاز دارد که برخی از آنها شامل تعاملات الکترواست‑ضعیف و نیروی قوی هستند. اکثر این دیاگرام‌ها به‌صورت عددی محاسبه شده‌اند؛ سرپرست این پروژهٔ بلندمدت، فیزیک‌دان آمریکایی متولد ژاپن توئیچیرو کینوشتا بود.
به طرز شگفت‌آوری، مقدار نظری با آزمایش تا بیش از ۱۰ رقم معنی‌دار هم‌خوانی دارد و بهترین پیش‌بینی در تمام علم به شمار می‌رود.
چالش‌های محاسبات میون و ابتکارات نوین
بسیاری از این محاسبات در نهایت برای میون نیز انجام شد. چون میون جرم بیشتری دارد (و بر این اساس انرژی بیشتری نیز دارد، بر پایهٔ معادلهٔ معادل‌سازی جرم و انرژی اینشتین)، تعاملات دیگری به‌صورت فزاینده‌ای وارد می‌شوند که فراتر از آنچه الکترون تجربه می‌کند است: تعاملات بیشتر با نیروی الکترواست‑ضعیف و نیروی قوی.
به‌ویژه از منظر نظری، مشکلاتی به‌وجود آمد: هادرن‌های مجازی که از ذرات مجازی شامل دو یا چند کوارک مجازی و گلوئون‌های مجازی تشکیل شده‌اند و توسط نیروی قوی به هم پیوند خورده‌اند. (به‌عبارت دیگر، موادی بسیار بیشتر در اطراف پرواز می‌کنند.) در برخی بخش‌های محاسبه، داده‌های آزمایشی از برخوردهای دیگر ذرات برای ارزیابی زیر‑ترم‌ها، مانند تعاملات الکترون‑پوزیترون، به کار رفته‌اند. در بخش‌های دیگر، نتایج نظریهٔ شبکه (lattice gauge theory) استفاده شده است.
پروژه Muon g‑2 Theory Initiative در سال ۲۰۱۶ تأسیس شد تا بهترین پیش‌بینی ممکن را ارائه کند؛ این پیش‌بینی اوایل امسال منتشر شد و اختلاف‌های قبلی بین مقادیر گروه‌های مختلف را رفع کرد. ضمن در نظر گرفتن عدم‌قطعی ذاتی خود، این پیش‌بینی با نتایج آزمایشی اخیر که توسط همکاران پروژه Muon g‑2 منتشر شده، سازگار است.
دست‌آوردهای آزمایشی و سؤالات ادامه‌دار
نتیجهٔ آزمایشگاهی، که شامل ۲٫۵ برابر تعداد برخوردهای پیشین بهتر بود، از طریق اندازه‌گیری نسبت فرکانس‌های پیش‌چرخش میون‌ها و پروتون‌ها در میدان مغناطیسی حلقهٔ ذخیره‌سازی فِرمی‌لب، به‌همراه استفاده از دقیق‌ترین مقادیر ثابت‌های بنیادین، به‌دست آمد. این دستاورد میانگین جهانی g‑2 میون را چهار برابر بهبود داد.
مقادیر نظری و تجربی تا ۱۲۷ بخش در هر میلیارد هم‌خوانی دارند؛ حاشیه‌های خطای آنها هم‌پوشانی دارد. این تقریباً همانند وزن‌کردن چرخ خودرو (لاستیک و ریم) با دقت میلی‌گرمی است. این موفقیتی بزرگ برای آزمایش‌گران است. اما برخی نظریه‌پردازان امید داشتند که انحراف غیرصفر وجود داشته باشد، که ممکن است نشان‌دهندهٔ نیاز به فیزیک جدیدی مانند ابرتقارن یا گسترش‌های دیگر مدل استاندارد (SM) همچون آکسان، مادهٔ تاریک، ابعاد اضافی یا هیگس دیگری باشد.
«با این حال، عدم‌قطعیت پیش‌بینی نظری هنوز چهار برابر بزرگ‌تر از آزمایش است»، آیدا ایکس ال‑خدرا به Phys.org گفت. ال‑خدرا استاد فیزیک در دانشگاه ایلینوی اربانا‑شمپین و رئیس ابتکار نظریهٔ Muon g‑2 است. او افزود: «این اندازه‌گیری دستاوردی تاریخی است که سال‌ها مورد چالش قرار نخواهد گرفت…» و پیش‌بینی‌شان با استفاده از مدل استاندارد با آزمایش هم‌ساز است.
«این به این معناست که سؤال «آیا مدل استاندارد با مقدار تجربی گشتاور مغناطیسی غیرعادی میون هم‌خوانی دارد یا نه؟» هنوز به‌طور قانع‌کننده‌ای پاسخ داده نشده است»، او ادامه داد.
تمام «درام» (تحریک) مورد اشاره او مربوط به «پیشنهاد مدل استاندارد در سهم پولاریزاسیون خلا هادراتیک» است، یعنی مشارکت ذرات مجازی در پیش‌بینی مدل استاندارد برای گشتاور مغناطیسی میون. او نتیجهٔ اخیرشان را «بهبود چشم‌گیری» نسبت به نتایج سال ۲۰۲۰ می‌نامید، چرا که محاسبات پیشین از نظریهٔ شبکه در زمینه QCD (کرومودینامیک کوانتومی)، که نظریهٔ نیروی قوی است، هنوز به‌کمال نرسیده بودند. کارهای ابتکار او به کاهش عدم‌قطعیت نهایی ادامه خواهد داد.
چشم‌اندازهای آینده و چالش تاو
علاوه بر پیشرفت‌های نظری و تجربی، هدف بلندمدت انجام کاری مشابه برای خویشاوند سنگین‌تر الکترون، یعنی تاو، است. اما مشکل اساسی در اینجا اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی غیرعادی تاوست، چرا که زمان زندگی آن تنها ۳ × ۱۰⁻۱۳ ثانیه (۰٫۳ تریلیونیم ثانیه) است؛ یعنی ده‌سومین میلیون‌بار کوتاه‌تر از عمر میون.
در حالی که میون در حلقهٔ ذخیره‌سازی با قطر ۴۵ متر در فِرمی‌لب تقریباً ۱۵ بار می‌چرخد پیش از تجزیه، تاو فقط حدود ۱۰۰ میکرومتر مسافت طی می‌کند.