اندازه گیری طولانی مدت میون ، شواهد مربوط به فیزیک جدید را افزایش می دهد



هنگامی که صدها فیزیکدان در اواخر فوریه در زوم جمع شدند تا در مورد نتایج آزمایش خود بحث کنند ، هیچ یک از آنها نمی دانستند چه چیزی کشف کرده اند. مانند پزشکان در یک کارآزمایی بالینی ، محققان در آزمایش Muon g-2 با پنهان کردن یک متغیر واحد ، مانع از تعصب یا دانستن – برای سالها – اطلاعاتی که آنها با آنها کار می کردند ، شدند ، اطلاعات آنها را کور کردند.

اما هنگامی که داده ها بر روی بزرگنمایی فاش شد ، فیزیکدانان دانستند که انتظار آن ارزش دارد: نتایج شواهد دیگری بود که نشان می دهد فیزیک جدید در میون ها ، پسرعموهای بزرگتر الکترون قرار دارد. “آن زمان ما مورد توجه قرار گرفتیم. تا آن زمان ، ما هیچ ایده ای نداشتیم. “گفت ربکا کیزلت ، فیزیکدان دانشگاه کالج لندن که بخشی از همکاری Muon g-2 است. “این هیجان انگیز و عصبی بود و کمی راحت بود.”

علیرغم موفقیت چشمگیر آن در توضیح ذرات اساسی و نیروهای تشکیل دهنده جهان ، توصیف مدل استاندارد بسیار ناقص باقی مانده است. این از یک طرف گرانش را در نظر نمی گیرد ، و در مورد ماهیت ماده تاریک ، انرژی تاریک و توده های نوترینو به همان اندازه ساکت است. برای توضیح این پدیده ها و سایر پدیده ها ، محققان به دنبال فیزیک جدید – فیزیک فراتر از مدل استاندارد – با جستجوی ناهنجاری هایی هستند که نتایج تجربی با پیش بینی های نظری متفاوت باشد.

Muon g-2 آزمایشی در آزمایشگاه ملی فرمی در باتاویا ، ایلینوی است که هدف آن اندازه گیری دقیقاً تعداد میون های مغناطیسی با مشاهده آنها برای لرزش در یک میدان مغناطیسی است. اگر مقدار آزمایشی گشتاور مغناطیسی این ذرات با پیش بینی نظری – ناهنجاری – متفاوت باشد ، این انحراف ممکن است نشانه ای از فیزیک جدید باشد ، مانند برخی از ذرات ریز و ناشناخته یا نیرویی که بر میون تأثیر می گذارد. مقدار آزمایشی اخیراً به روز شده برای میون ها از روز چهارشنبه گزارش شده است نامه های معاینه فیزیکی ، فقط با حداقل مقدار (0.00000000251) از تئوری منحرف می شود و از لحاظ آماری معنای 4.2 سیگما دارد. * اما حتی این مقدار کم نیز می تواند جهت گیری فیزیک ذرات را عمیقا تغییر دهد.

گوردان کرنجائیک ، فیزیکدان نظری در Fermilab که در این مطالعه نقش ندارد ، می گوید: “اولین برداشت من” واو “است. “این تقریباً بهترین سناریوی ممکن برای دلالان مانند ما است … من خیلی بیشتر فکر می کنم که این احتمالاً فیزیک جدیدی است و برای آزمایشات آینده و ارتباطات احتمالی با ماده تاریک تأثیراتی دارد.”

همه اینقدر اصیل نیستند. بسیاری از ناهنجاری ها فقط برای از بین رفتن پدیدار شده اند و باعث شکست مدل استاندارد شده و فیزیکدانان از چشم انداز کشف های مهم عصبانی شده اند.

توماسو دوریگو ، فیزیکدان تجربی در دانشگاه پادوآ ایتالیا که همچنین در این مطالعه جدید شرکت نکرد ، گفت: “من احساس می کنم هیچ چیز جدیدی در زیر آفتاب وجود ندارد.” “من فکر می کنم که هنوز هم یک اشتباه نظری وجود دارد … اما مطمئناً مهمترین موضوعی است که باید در حال حاضر بررسی کنیم.”

میون ها تقریباً یکسان با الکترون هستند. این دو ذره دارای بار الکتریکی یکسان و سایر خصوصیات کوانتومی مانند چرخش هستند. اما میون ها در حدود 200 برابر سنگین تر از الکترون هستند که باعث می شود عمر کوتاه داشته و به ذرات سبک تری تجزیه شوند. در نتیجه ، میون ها نمی توانند نقش اساسی در الکترون در تشکیل ساختارها داشته باشند: مولکول ها و کوه ها – در واقع ، اساساً همه پیوندهای شیمیایی بین اتم ها – به دلیل پایداری الکترون ها زنده می مانند.

هنگامی که پل کونزه فیزیکدان آلمانی برای اولین بار میون را در سال 1933 مشاهده کرد ، مطمئن نبود که چه چیزی از این میون ساخته شود. لی رابرتز ، فیزیکدان دانشگاه بوستون و آزمایشگر Muon g-2 گفت: “او این رد را نشان داد ، که نه یک الکترون بود و نه یک پروتون ، که او آن را – ترجمه من” “ذره ای از طبیعت نامشخص” خواند. این ذره که به تازگی کشف شده عارضه عجیبی از ترکیب محدود ذرات زیر اتمی بود که باعث شد ایزیدور آیزاک ربیع ، فیزیکدان ، تعجب کند: “به میون فکر کن. چه کسی این را سفارش داده است؟ “سیل ذرات عجیب و غریب متعاقب کشف شده در دهه های بعدی نشان داد که میون در واقع بخشی از یک گروه بزرگتر بود ، اما داستان برای سردرگمی خاخام مساعد بود: معلوم شد که ممکن است واقعاً چیز عجیبی در مورد میون وجود داشته باشد.

در سال 2001 ، آزمایش E821 در آزمایشگاه ملی بروكهاون در آپتون ، نیویورك اشاره كرد كه لحظه مغناطیسی میون ها از این تئوری منحرف شده است. در آن زمان ، کشف به اندازه کافی پایدار نبود زیرا از نظر آماری فقط 3/3 سیگما بود: یعنی اگر فیزیک جدیدی وجود نداشت ، دانشمندان همچنان انتظار دارند که تفاوتی را ببینند که یک بار در هزار تکرار در هر آزمایش بزرگ باشد. به شانس خالص نتیجه کمتر از 5 سیگما بود – اتفاقی یک در 3.5 میلیون – اما برای تحریک علاقه محققان به آزمایش های آینده کافی بود.

با اهمیت آماری 4.2 سیگما ، محققان هنوز نمی توانند بگویند که کشف کرده اند. اما شواهد مربوط به فیزیک جدید میون – در رابطه با ناهنجاری هایی که اخیراً در آزمایش با برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHCb) در CERN در نزدیکی ژنو مشاهده شده است – آزار دهنده است.

حرکت میون

بیشتر آزمایش های فیزیکی از قطعات دوباره استفاده می کنند. به عنوان مثال ، برخورد دهنده بزرگ هادرون در تونلی مستقر شده و قبلاً توسط سلف خود ، برخورد دهنده بزرگ الکترون-پوزیترون اشغال شده است. اما آزمایشگران پشت Muon g-2 بیشتر از همه چیز را پیش بردند ، هنگامی که آنها به جای ساخت یک آهنربا جدید ، حلقه 50 فوت را از بروخاون در مسیری 3200 مایلی به خانه جدیدش در Fermilab فرستادند.

آهن ربا در Muon g-2 مکان مرکزی را اشغال می کند. پرتویی از گل صد تومانی مثبت – ذرات نوری که از بالا و پایین یک ماده باستانی ساخته شده اند – به میون ها و نوترینوهای میون تجزیه می شود. میون ها در یک مسیر دایره ای منظم به دور آهن ربا جمع می شوند و کانال می شوند ، حداکثر چندین هزار بار دور آنها می چرخند تا از هم پاشیده شوند. با تشخیص جهت پوسیدگی میون ، فیزیکدانان می توانند اطلاعاتی را در مورد نحوه تعامل ذرات با آهن ربا استخراج کنند.

این فرایند چگونه کار می کند؟ هر میون را به عنوان یک ساعت کوچک آنالوگ در نظر بگیرید. همانطور که ذره به دور آهن ربا می چرخد ​​، مدار آن در جهت عقربه های ساعت با سرعتی که پیش بینی شده توسط نظریه می چرخد. وقتی زمان میون منقضی می شود ، به یک پوزیترون تبدیل می شود که در جهت عقربه های ساعت ساطع می شود. اما اگر این عقربه با سرعتی غیر از تئوری بچرخد – مثلاً خیلی سریع تیک بزنید – فروپاشی پوزیترون سرانجام در جهتی کمی متفاوت خواهد بود. (در این تشبیه ، عقربه ساعت مربوط به چرخش میون است ، یک ویژگی کوانتومی که جهت پوسیدگی میون را تعیین می کند.) پوزیترون های انحراف کافی را تشخیص دهید و شما یک ناهنجاری دارید.

آنچه نشان دهنده ناهنجاری است ، نامشخص است. ممکن است چیزی وجود داشته باشد که توسط مدل استاندارد مورد توجه قرار نگیرد و ممکن است بین الکترون و میون تفاوت وجود داشته باشد. یا ممکن است یک اثر مشابه در الکترونها وجود داشته باشد که برای مشاهده در لحظه بسیار کوچک باشد. (جرم یک ذره به میزان ارتباط آن با ذرات ناشناخته سنگین تر مربوط می شود ، بنابراین میون هایی که جرم آنها حدود 200 برابر الکترون است بسیار حساس ترند).

Muon g-2 برای اولین پرتاب خود در سال 2017 شروع به جمع آوری داده ها کرد ، اما تاکنون نتایج به دست نیامده است ، زیرا پردازش این اطلاعات کار دشواری بود. برندان کیبورگ ، فیزیکدان فرمیلاب که بخشی از همکاری است ، گفت: “اگرچه ممکن است مردم مایل بودند ببینند نتیجه زودتر منتشر می شود ، اما این فقط یک تلاش طولانی را برای کشف مسائل نشان می دهد.”

به خودی خود ، ارزش آزمایشی Muon g-2 زیاد نشان نمی دهد. برای منطقی کردن ، باید آن را با آخرین پیش بینی نظری مقایسه کرد ، که خود کار حدود 130 فیزیکدان است.

نیاز به تمام این قدرت مغزی به اینجا برمی گردد: هنگامی که یک میون از طریق فضا حرکت می کند ، این فضا در حقیقت خالی نیست. در عوض ، این یک سوپ در حال جوش و انبوه تعداد بی نهایت ذرات مجازی است که می تواند ظاهر و ناپدید شود. میون شانس کمی برای تعامل با آن ذره هایی دارد که آن را می کشند و بر رفتار آن تأثیر می گذارد. محاسبه تأثیر ذرات مجازی بر چرخش میون – سرعت چرخش آن در جهت عقربه های ساعت – به مجموعه ای از تعیین های نظری به همان اندازه دشوار و فوق العاده دقیق نیاز دارد.

همه اینها بدان معناست که پیش بینی نظری میون ها عدم قطعیت خاص خود را دارد ، نظریه پردازان سعی در کاهش آن دارند. یک راه از طریق شبکه کرومودینامیک کوانتومی شبکه ای (QCD) است ، تکنیکی که برای حل دیجیتالی اثرات ذرات مجازی بر میون ها به قدرت محاسباتی عظیم متکی است. به گفته آیدا X. El-Khadra ، فیزیکدان دانشگاه ایلینوی در Urbana-Champaign که در نتیجه آزمایش شرکت نکرد ، حدود دوازده گروه به دنبال مسئله هستند.

اول از نظر جسمی

سرگرم کننده تازه شروع شده است. در روزها و هفته های آینده ، سیل مقالات نظری سعی در درک بهتر نتیجه جدید دارد. مدل هایی که ذرات جدیدی مانند Z ‘boson و leptoquark را معرفی می کنند با توجه به اطلاعات جدید به روز می شوند. در حالی که برخی از فیزیکدانان حدس زده اند که دقیقاً معنای ناهنجاری میون چیست ، تلاش برای کاهش عدم قطعیت و فشار دادن ناهنجاری به بیش از 5 سیگما ادامه دارد.

طبق گفته های كیبورگ و كیزلت ، داده های حاصل از اجرای دوم و سوم Muon g-2 در حدود 18 ماه پیش بینی می شود و این اطلاعات می تواند ناهنجاری را فراتر از آستانه 5 سیگما قرار دهد – یا اهمیت آن را كاهش دهد. اگر حیاتی نباشد ، محققان J-PARC (مجتمع تحقیقات شتاب دهنده پروتون ژاپن) ، یک آزمایشگاه فیزیکی در توکای ژاپن ، می توانند جواب بگیرند. آنها قصد دارند با استفاده از روشی کمی متفاوت برای نظارت بر رفتار میون ، نتیجه Muon g-2 را به طور مستقل تأیید کنند. در همین حال ، نظریه پردازان برای کاهش عدم قطعیت اندازه گیری های خود ، به اصلاح پیش بینی های خود ادامه می دهند.

حتی اگر همه این تلاش ها تأیید کنند که فیزیک جدید در میون ها کار می کند ، آنها قادر نخواهند بود دقیقاً نشان دهند که این فیزیک جدید چیست. ابزاری که برای آشکار کردن ماهیت مورد نیاز است می تواند یک شتاب دهنده جدید باشد – چیزی که بسیاری از فیزیکدانان از طریق پیشنهادهایی مانند برخورد دهنده خطی بین المللی و روشنایی بالا LHC به دنبال آن بوده اند. در چند ماه گذشته ، علاقه به شتاب دهنده میون افزایش یافته است ، که بسیاری از مقالات می گویند این توانایی فیزیكدانان را برای تعیین خصوصیات ذره یا نیروی ناشناخته م physثر در میون تضمین می كند.

حتی کسانی که در مورد اهمیت نتیجه جدید تردید دارند ، نمی توانند یک پوشش نقره ای پیدا کنند. دوریگو می گوید: “این برای فیزیک ذرات خوب است ، زیرا فیزیک ذرات ابتدایی مدتی است که از بین رفته است.”

* یادداشت سردبیر: نویسنده این مقاله با رابرت گاریستو ، ویراستار پردازش در ارتباط است نامه های معاینه فیزیکی ، اما آنها هیچ پیامی برای روزنامه قبل از انتشار نداشتند.


منبع: khabar-nab.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*