نتیجه نهایی آزمایش میون همچنان نظریه‌پردازان را به چالش می‌کشد
برای فیزیکدانان تجربی، آخرین اندازه‌گیری میون بهترین خبر ممکن است. اما برای نظریه‌پردازان، هنوز کارهای زیادی باقی مانده است.
«همکاری g-2 میون» (Muon g-2 Collaboration) —گروهی متشکل از بیش از ۲۰۰ پژوهشگر— با برخورد دادن ۳۰۰ میلیارد میون طی چهار سال در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فرمی در ایالات متحده، قدرت مغناطیسی میون را با دقتی بی‌سابقه اندازه‌گیری کرده است: دقیق تا ۱۲۷ قسمت در میلیارد.
این نتایج نهایی درباره گشتاور مغناطیسی میون —که از طریق فرکانس لرزش گشتاور در یک میدان مغناطیسی خارجی اندازه‌گیری شده— پایان‌بخش زنجیره‌ای از تلاش‌های تجربی ۳۰ ساله است و در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
پیشینه نظری و تصحیحات کوانتومی
میون همزاد سنگین‌تر الکترون است، با جرمی حدود ۲۰۷ برابر بیشتر، اما ناپایدار و با طول عمر متوسط ۲.۲ میکروثانیه. اسپین آن نیز مانند الکترون ½ (در ثابت کاهش‌یافته پلانک) است. بنابراین، گشتاور مغناطیسی کلاسیک میون، که معیاری برای رفتار اسپین آن مانند یک آهنربای میله‌ای در میدان مغناطیسی است، باید پیش از در نظر گرفتن نظریه میدان کوانتومی، با گشتاور الکترون یکسان باشد. این آغاز داستان بود که ابتدا با الکترون و با قهرمانی فیزیکدان آمریکایی، جولیان شوینگر، شروع شد.
نظریه دیراک، که مکانیک کوانتومی شرودینگر را با نسبیت خاص ترکیب می‌کند، گشتاور مغناطیسی اسپین را دقیقاً یک مگنتون بور پیش‌بینی می‌کند. فیزیکدانان این مقدار را با استفاده از یک فاکتور بدون بعد به نام نسبت ژیرومغناطیسی (g-factor) دسته‌بندی کرده‌اند؛ معادله دیراک مقدار ۲ را برای آن پیش‌بینی می‌کند. (معادله شرودینگر مقدار صفر را پیش‌بینی می‌کند، زیرا در ساده‌ترین نسخه مکانیک کوانتومی، اسپینی وجود ندارد.)
نظریه میدان کوانتومی، که فراتر از نظریه دیراک می‌رود و تصحیحات تابشی ناشی از ذرات مجازی بسیار کوتاه‌عمر در میدان را در نظر می‌گیرد، مقداری اندکی بالاتر را پیش‌بینی می‌کند. به همین دلیل، کمیت g-2 به موضوع مورد علاقه تبدیل شده است.
شوینگر، یک پدیده نظری که دکترای خود را در ۲۱ سالگی دریافت کرد، برای اولین بار در سال ۱۹۴۸ مقداری را برای گشتاور مغناطیسی غیرعادی الکترون در یک میدان مغناطیسی پیش‌بینی کرد. این مقدار بر اساس «تصحیحات تابشی» در نظریه میدان کوانتومی الکترودینامیک او تعیین شد: α/2π، که در آن α ثابت ساختار ریز و تقریباً برابر با ۱/۱۳۷ است. (شوینگر آن‌قدر به این معادله افتخار می‌کرد که آن را بر روی سنگ قبر خود و همسرش حک کرد.)
فاکتور g-2 برای الکترون اکنون تا یک عامل تصحیحی بسیار کوچک از مرتبه α۵ ≈ ۲ × ۱۰-۱۱ محاسبه شده است؛ این جمله به ۱۲,۶۷۲ نمودار فاینمن نیاز دارد که برخی از آن‌ها شامل برهم‌کنش‌های نیروی الکتروضعیف و قوی هستند. بیشتر این نمودارها به صورت عددی محاسبه شده‌اند و رهبر این پروژه طولانی‌مدت، فیزیکدان ژاپنی-آمریکایی، تویچیرو کینوشیتا، بود.
به‌طور شگفت‌انگیزی، مقدار نظری با نتیجه آزمایش تا بیش از ۱۰ رقم معنی‌دار مطابقت دارد و این بهترین پیش‌بینی در کل علم به شمار می‌رود.
چالش‌ها در محاسبات میون و طرح‌های جدید
بخش بزرگی از همین روند در نهایت برای میون نیز انجام شد. از آنجایی که میون سنگین‌تر است (و بنابراین طبق هم‌ارزی جرم و انرژی اینشتین، انرژی بیشتری دارد)، برهم‌کنش‌های دیگری فراتر از آنچه الکترون تجربه می‌کند، به طور فزاینده‌ای وارد عمل می‌شوند: برهم‌کنش‌های بیشتر با نیروی الکتروضعیف و نیروی قوی.
از دیدگاه نظری، هادرون‌های مجازی به‌ویژه مشکل‌ساز بودند. این هادرون‌ها از ذرات مجازی متشکل از دو یا چند کوارک مجازی و گلوئون‌های مجازی تشکیل شده‌اند که توسط نیروی قوی به هم متصل شده‌اند. (به طور خلاصه، ذرات بسیار بیشتری در همه جا در حال پرواز هستند.) در برخی از بخش‌های محاسبه، از داده‌های تجربی حاصل از برخوردهای دیگر ذرات، مانند برهم‌کنش‌های الکترون-پوزیترون، برای ارزیابی زیرجمله‌ها استفاده شد. در موارد دیگر، از نتایج نظریه پیمانه‌ای شبکه‌ای بهره‌گیری شد.
«طرح نظری g-2 میون» (The Muon g-2 Theory Initiative) در سال ۲۰۱۶ با هدف ارائه بهترین پیش‌بینی ممکن تأسیس شد. نتیجه این طرح اوایل امسال منتشر شد و اختلافات بین مقادیر قبلی از گروه‌های مختلف را برطرف کرد. پیش‌بینی آن‌ها، با در نظر گرفتن عدم قطعیت ذاتی‌اش، با نتیجه تجربی اخیر که توسط «همکاری g-2 میون» منتشر شده، مطابقت دارد.
دستاوردهای تجربی و پرسش‌های باقی‌مانده
نتیجه آزمایشگاهی، که شامل ۲.۵ برابر تعداد برخوردهای رکورد قبلی بود، از اندازه‌گیری نسبت فرکانس‌های تقدیمی پروتون‌ها و میون‌ها در میدان مغناطیسی حلقه ذخیره‌سازی فرمی‌لب، همراه با استفاده از دقیق‌ترین مقادیر ثابت‌های بنیادی به دست آمد. این نتیجه، میانگین جهانی g-2 میون را تا ضریب ۴ بهبود بخشید.
مقادیر نظری و تجربی در محدوده ۱۲۷ قسمت در میلیارد با یکدیگر مطابقت دارند و بازه‌های خطای آن‌ها با هم همپوشانی دارند. این مانند وزن کردن یک چرخ خودرو (تایر و رینگ) با دقت میلی‌گرم است. این یک پیروزی بزرگ برای آزمایشگران است. اما برخی از نظریه‌پردازان امیدوار بودند که انحرافی غیرصفر وجود داشته باشد که شاید نشان‌دهنده نیاز به فیزیک جدیدی مانند ابرتقارن یا دیگر گسترش‌های مدل استاندارد (SM) فیزیک ذرات، مانند اکسیون‌ها، ماده تاریک، ابعاد اضافی یا یک بوزون هیگز دیگر باشد.
آیدا ایکس. الخضرا به Phys.org گفت: «با این حال، عدم قطعیت در پیش‌بینی نظری هنوز چهار برابر بزرگ‌تر از آزمایش است.» الخضرا، استاد فیزیک در دانشگاه ایلینوی اربانا-شمپین و رئیس «طرح نظری g-2 میون» است. او افزود که این اندازه‌گیری «یک دستاورد تاریخی است که تا سال‌ها به چالش کشیده نخواهد شد…» و پیش‌بینی آن‌ها با استفاده از مدل استاندارد با آزمایش مطابقت دارد.
او ادامه داد: «این بدان معناست که به این سؤال که “آیا مدل استاندارد با مقدار تجربی گشتاور مغناطیسی غیرعادی میون موافق است یا مخالف؟” هنوز پاسخ رضایت‌بخشی داده نشده است.»
به گفته او، تمام این «جنجال» پیرامون «پیش‌بینی مدل استاندارد در سهم قطبش خلاء هادرونی» است، یعنی سهم ذرات مجازی در پیش‌بینی مدل استاندارد برای گشتاور مغناطیسی میون. او آخرین نتیجه آن‌ها را یک پیشرفت «چشمگیر» نسبت به نتیجه سال ۲۰۲۰ خواند، زیرا محاسبات نظریه شبکه‌ای قبلی از QCD (کرومودینامیک کوانتومی، نظریه نیروی قوی) هنوز به اندازه کافی بالغ نبودند. کار طرح او برای کاهش عدم قطعیت نهایی ادامه خواهد یافت.
چشم‌انداز آینده و چالش لپتون تاو
علاوه بر بهبودها در هر دو جنبه نظری و تجربی، یک هدف بلندمدت انجام کاری مشابه برای پسرعموی حتی سنگین‌تر الکترون، یعنی لپتون تاو، است. با این حال، مشکل در آنجا اندازه‌گیری گشتاور مغناطیسی غیرعادی تاو است، زیرا طول عمر واپاشی آن تنها ۰.۳ تریلیونم ثانیه است، یعنی یک‌دهم میلیون برابر کوتاه‌تر از طول عمر میون.
در حالی که میون قبل از واپاشی حدود ۱۵ بار در حلقه ذخیره‌سازی ۴۵ متری فرمی‌لب می‌چرخد، تاو تنها حدود ۱۰۰ میکرومتر را طی می‌کند.
اطلاعات بیشتر: Anonymous, Measurement of the positive muon anomalous magnetic moment to 127 ppb, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/7clf-sm2v
اطلاعات مجله: Physical Review Letters