От надгробната плоча на Швингер до суперкомпютрите: как решаването на мюонната загадка ще промени науката

Нови изчисления потвърждават данните от Fermilab.

В света на науката най-вълнуващите моменти настъпват, когато получените резултати не отговарят на очакванията въпреки положените усилия. При теоретиците това се случва, когато получените резултати противоречат на експериментално известните данни, а при експериментаторите – когато измерванията опровергават теоретичните прогнози. Подобни несъответствия могат да възвестят научна революция, посочвайки недостатъците в основите на науката, или просто да разкрият неоткрити досега грешки.

През последните петдесет години едно от основните предизвикателства във физиката на елементарните частици беше откриването на несъответствия между теорията и експеримента в рамките на Стандартния модел. Особено внимание беше отделено на магнитния момент на мюона, тежък и нестабилен роднина на електрона. Експериментът „Muon g-2“ във Fermilab показа несъответствие между теорията и експеримента от повече от 4 сигма, което се доближава до стандарта за откритие. Дали обаче това е доказателство за нова физика?

Според новите теоретични изчисления – не : оказа се, че проблемът е в методологията, използвана от повечето теоретици. Новите техники за изчисление, използващи решетъчната QCD (квантова хромодинамика), показаха, че теорията и експериментът съвпадат, което показва решението на тази загадка.

Когато частици с електрически заряд се движат, те създават магнитно поле. Ако една частица се върти около друга заредена частица или около оста си, като например електронът около протона или Земята около Слънцето, тя придобива магнитен момент, действайки като магнитен дипол. В квантовата механика частиците се държат така, сякаш имат присъща ъглова скорост или спин. Ако Вселената беше чисто квантовомеханична, стойността на „g“ щеше да е точно 2, както е предсказано от Дирак.

Стойността на „g“ обаче не е точно 2, което показва, че Вселената не се описва само от старата квантова механика. Квантовата теория на полето твърди, че не само частиците, но и полетата, свързани с фундаменталните сили, също са квантови. Един електрон, изпитващ електромагнитна сила, може да обменя виртуални и реални частици според квантовата теория на полето.

През 1948 г. Джулиан Швингер изчислява най-големия принос към „g-2“ за електрона и мюона, което става толкова важно, че е гравирано на надгробната му плоча. Въпросът за „g-2“ за мюона е важен, тъй като мюонът, който е по-тежък от електрона, е по-засегнат от силното взаимодействие. Ефектите на по-голямата сила се проявяват на ниво една част на милиард, което се измерва с експеримента „g-2“ на мюона във Fermilab.

През месец април 2021 г. стойността на g-2 за мюона беше измерена с висока точност. Новите резултати, обявени през август 2023 г., допълнително подобриха тази точност. Истинският тест обаче беше сравнението с теоретичните прогнози.

Традиционно ефектите на квантовата електродинамика се пресмятат чрез сложни диаграмни изчисления, които не действат при силното взаимодействие поради неговата нелинейност. Методът на r-отношението използва експерименталните данни, за да изчисли косвено приноса на силното взаимодействие, но може да внесе систематични грешки. За разлика от тях новите методи на QCD на решетката ни позволяват директно да изчислим приноса на частиците и полето на силното взаимодействие спрямо магнитния момент на мюона.

Най-новите изчисления, използващи решетъчно QCD, показаха, че са в унисон с експерименталните резултати от Fermilab, докато по-старите методи показваха значителни несъответствия. Това указва необходимостта от използване на решетъчно QCD за прецизни теоретични изчисления.

По този начин, въпреки надеждите за откриване на нова физика, експериментът Muon g-2 потвърди важността на преразглеждането на методите за теоретични изчисления. Благодарение на новите методи на решетъчното QCD загадката на магнитния момент на мюона изглежда най-накрая е разгадана.