Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Długo oczekiwane pierwsze wyniki eksperymentu Mion g-2 w Fermi National Accelerator Laboratory (Narodowym Laboratorium Przyśpieszania Cząstek Elementarnych im. Enrico Fermiego, amerykańskim ośrodku badań nad fizyką cząstek elementarnych i fizyką wysokich energii położonym w Batavii w pobliżu Chicago) pokazują, że nietrwałe cząstki elementarne zwane mionami zachowują się w sposób, który nie jest przewidziany przez najlepszą obecnie teorię naukową fizyki cząstek elementarnych zwaną modelem standardowym. Ten przełomowy wynik, wykonany z niespotykaną dotąd precyzją, potwierdza rozbieżność, która dręczyła badaczy od dziesięcioleci.

Mocne dowody na to, że moment magnetyczny mionu odbiega od obliczeń modelu standardowego, mogą wskazywać na nową fizykę. Miony działają jak okno do świata subatomowego i mogą wchodzić w interakcje z jeszcze nieodkrytymi cząsteczkami lub siłami.

Mion jest około 200 razy masywniejszy od elektronu. Miony powstają w sposób naturalny, gdy promienie kosmiczne uderzają w ziemską atmosferę, zaś akceleratory cząstek w ośrodku Fermilab mogą je wytwarzać w dużych ilościach. Podobnie jak elektrony, miony zachowują się tak, jakby miały mały wewnętrzny magnes. W silnym polu magnetycznym kierunek magnesu mionowego ulega precesji lub waha się, podobnie jak oś wirującego bąka lub żyroskopu. Szybkość precesji mionu w zewnętrznym polu magnetycznym zależy od wartości momentu magnetycznego mionu, który jest proporcjonalny do współczynnika g. Liczbę tę można obliczyć z bardzo dużą precyzją.

Miony, krążąc w urządzeniu, poddane odpowiedniemu polu magnetycznemu, oddziałują z próżnią, w której pojawiają się fluktuacje, a w nich spontanicznie pojawiają się i znikają inne cząstki elementarne (są to tzw. fluktuacje próżni, opisywane przez mechanikę kwantową). Krótkotrwałe interakcje z cząstkami próżni wpływają na wartość współczynnika g, powodując bardzo nieznaczne przyspieszenie lub spowolnienie precesji mionów. Model standardowy wyjątkowo precyzyjnie przewiduje ten tzw. anomalny moment magnetyczny. Jeśli fluktuacje kwantowe zawierają dodatkowe siły lub cząstki nieuwzględnione w modelu standardowym, ich istnienie może wpłynąć na pomiar współczynnika g mionu.

Poprzedni eksperyment przeprowadzony w DOE’s Brookhaven National Laboratory (multidyscyplinarnym laboratorium naukowym w USA założonym przez pochodzącego z Polski Isidora Isaaca Rabiego), który zakończył się w 2001 roku, dostarczył wskazówek, że zachowanie mionu nie zgadza się z modelem standardowym. Nowy pomiar z eksperymentu Mion g-2 w Fermilab anomalnego momentu magnetycznego dobrze zgadza się z wartością znalezioną w Brookhaven, w konsekwencji również odbiega od wartości teoretycznej.

Przyjmowane teoretyczne wartości mionu to:
współczynnik g: 2,00233183620 (86)
anomalny moment magnetyczny: 0,00116591810 (43)
[niepewność w nawiasach]

Uśrednione wyniki biorące pod uwagę dane ogłoszone przez kolaborację Mion g-2 to:
współczynnik g: 2,00233184122 (82)
anomalny moment magnetyczny: 0,00116592061 (41)

Połączone wyniki z Fermilab i Brookhaven pokazują różnicę w stosunku do teorii na poziomie 4,2 sigma, nieco mniejszą niż 5 sigma (lub odchylenia standardowe), odchylenie przyjmowane w fizyce cząstek elementarnych  jako poziom pozwalający na ogłoszenie odkrycia, są to jednak wyniki mocno sugerujące efekt nowej fizyki. Prawdopodobieństwo, że wyniki są fluktuacją statystyczną, wynosi około 1 na 40 000.

Eksperyment Fermilab, podobnie jak  eksperyment w  Brookhaven, wykorzystuje jako główny element nadprzewodzący magnetyczny pierścień o średnicy 15.24 metrów. W 2013 roku został on przetransportowany ponad 5100 km drogą lądową i morską z Long Island na przedmieścia Chicago, gdzie naukowcy mogli skorzystać z akceleratora cząstek Fermilab i wyprodukować najbardziej intensywną wiązkę mionów w Stanach Zjednoczonych. W ciągu następnych czterech lat naukowcy przygotowywali eksperyment. Dostrojono i skalibrowano niewiarygodnie jednolite pole magnetyczne; opracowano nowe techniki, oprzyrządowanie i symulacje oraz dokładnie przetestowano cały system.

Eksperyment Mion g-2 wysyła wiązkę mionów do pierścienia akumulacyjnego, gdzie krążą one tysiące razy z prędkością bliską prędkości światła. Detektory otaczające pierścień pozwalają naukowcom określić, z jaką szybkością poruszają się miony.

W pierwszym roku działania, w 2018 roku, eksperyment Fermilab zebrał więcej danych niż wszystkie wcześniejsze eksperymenty z mionowym czynnikiem g razem wzięte. Z udziałem ponad 200 naukowców z 35 instytucji w siedmiu krajach, zespół Mion g-2 zakończył właśnie analizę ruchu ponad 8 miliardów mionów z pierwszego przebiegu. Trwa analiza danych z drugiej i trzeciej serii eksperymentu, prowadzona jest obecnie czwarta seria, a piąta jest planowana. Połączenie wyników wszystkich pięciu przebiegów zapewni naukowcom jeszcze dokładniejszy pomiar „chybotania” mionu, ujawniając z większą pewnością, czy w „pianie kwantowej“ kryje się nowa fizyka.

W precyzyjne obliczenia teoretyczne dotyczące anomalnego momentu mionu zaangażowani są również pracownicy Instytutu Fizyki im. Augusta Chełkowskiego Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Prof. dr hab. Henryk Czyż zajmuje się fizyką niskich energii, modelowaniem zachowania się hadronów, które są jednym z głównych źródeł oddziaływania mionu z fluktującymi cząstkami próżni, jest on współautorem opublikowanego w 2020 roku przez teoretyków raportu wykorzystanego przez kolaborację Mion g-2. Razem z prof. dr. hab. Januszem Gluzą oraz dr. Tomaszem Jelińskim opublikowali w 2019 roku pracę o wpływie poprawek oddziaływań pionów na anomalny moment magnetyczny mionu.

Opracowano na podstawie:
First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics

Konsultacja naukowa:
Prof. dr hab. Janusz Gluza, Instytut Fizyki im. Augustan Chełkowskiego, Uniwersytet Śląski w Katowicach  
Kolaboracja Mion g-2 w Fermilabie potwierdza rozbieżność pomiędzy eksperymentem i teorią w pomiarze anomalnego momentu magnetycznego mionu