Bagaimana tempat desimal dapat mendefinisikan ulang fisika

Para peneliti telah mengidentifikasi asal mula perbedaan dalam prediksi terbaru mengenai momen magnet muon. Temuan mereka dapat berkontribusi pada studi materi gelap dan aspek fisika baru lainnya.

Momen magnet adalah sifat hakiki suatu partikel yang berputar, yang timbul akibat interaksi antara partikel tersebut dengan magnet atau benda lain yang mempunyai medan magnet. Seperti halnya massa dan muatan listrik, momen magnet adalah salah satu besaran dasar dalam fisika. Terdapat perbedaan antara nilai teoritis momen magnet muon, partikel yang termasuk dalam kelas yang sama dengan elektron, dan nilai yang diperoleh dalam eksperimen energi tinggi yang dilakukan pada akselerator partikel.

Perbedaannya hanya terlihat pada angka delapan desimal, namun para ilmuwan telah tertarik pada hal tersebut sejak penemuannya pada tahun 1948. Perbedaannya bukanlah rincian: hal ini dapat menunjukkan apakah muon berinteraksi dengan partikel materi gelap atau boson Higgs lainnya, atau bahkan tidak diketahui apakah muon berinteraksi dengan partikel materi gelap atau boson Higgs lainnya. . Pasukan berpartisipasi dalam operasi ini.

Inkonsistensi momen magnet muon

Nilai teoritis momen magnet muon, yang diwakili oleh huruf g, diberikan oleh persamaan Dirac – dirumuskan oleh fisikawan Inggris dan pemenang Hadiah Nobel 1933 Paulo Dirac (1902-1984), salah satu pendiri mekanika kuantum dan elektrodinamika kuantum – sebagai 2. Namun, Eksperimen telah menunjukkan bahwa g tidak persis sama dengan 2, dan ada banyak minat untuk memahami “g-2”, yaitu perbedaan antara nilai eksperimen dan nilai yang diprediksi oleh persamaan Dirac. Nilai eksperimen terbaik yang tersedia saat ini, diperoleh dengan tingkat presisi yang mencengangkan di Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) di AS dan diumumkan pada Agustus 2023, adalah 2,00116592059, dengan kisaran ketidakpastian plus atau minus 0,00000000022.

“Penentuan momen magnet muon yang tepat telah menjadi masalah utama dalam fisika partikel karena menyelidiki kesenjangan antara data eksperimen dan prediksi teoretis dapat memberikan informasi yang dapat mengarah pada penemuan beberapa efek baru yang menakjubkan,” kata fisikawan Diogo Boito, profesor di Institut Fisika Universitas São Carlos, São Paulo (IFSC-USP) hingga FAPESP.

Sebuah artikel tentang topik ini oleh Boito dan kolaboratornya diterbitkan di majalah tersebut Surat ulasan fisik.

Wawasan baru dari penelitian

“Hasil kami telah dipresentasikan di dua acara internasional penting. Pertama oleh saya saat lokakarya di Madrid, Spanyol, dan kemudian oleh rekan saya Martin Goltermann dari San Francisco State University pada pertemuan di Bern, Swiss,” kata Boito.

Hasil ini mengidentifikasi dan menunjukkan asal muasal perbedaan antara kedua metode yang digunakan untuk membuat prediksi muon g-2 saat ini. “Saat ini ada dua metode untuk menentukan komponen dasar g-2. Yang pertama didasarkan pada data eksperimen, dan yang kedua adalah simulasi komputer kromodinamika kuantum, atau QCD, teori yang mempelajari interaksi kuat antara quark. Kedua metode ini memberikan hasil yang sangat berbeda, dan ini merupakan masalah besar.” Ia menjelaskan bahwa hingga masalah ini terpecahkan, kita tidak dapat menyelidiki kemungkinan kontribusi partikel eksotik seperti boson Higgs baru atau materi gelap, misalnya, di G-2.

Studi ini berhasil menjelaskan perbedaan ini, namun untuk memahaminya kita perlu mengambil beberapa langkah mundur dan memulai kembali dengan penjelasan yang lebih rinci tentang muon.

Cincin penyimpanan muon di Fermilab. Kredit: Reidar Hahn, Fermilab

Muon adalah partikel yang termasuk dalam kelas lepton, seperti halnya elektron, tetapi massanya jauh lebih besar. Oleh karena itu, ia tidak stabil dan hanya bertahan dalam waktu yang sangat singkat dalam konteks energi tinggi. Ketika muon berinteraksi satu sama lain di hadapan medan magnet, muon meluruh dan berkumpul kembali menjadi awan partikel lain, seperti elektron, positron, boson W dan Z, boson Higgs, dan foton. Oleh karena itu, dalam eksperimen, muon selalu disertai dengan banyak partikel maya lainnya. Kontribusinya membuat momen magnet aktual yang diukur dalam percobaan lebih besar dari momen magnet teoritis yang dihitung dengan persamaan Dirac, yaitu sama dengan 2.

“Untuk perbedaannya [g-2]semua kontribusi ini perlu diperhitungkan – baik yang diprediksi oleh QCD [in the Standard Model of particle physics] Lainnya berukuran lebih kecil tetapi muncul dalam pengukuran eksperimental presisi tinggi. “Kami mengetahui banyak dari kontribusi ini dengan baik, namun tidak semuanya,” kata Boito.

Efek interaksi kuat QCD tidak dapat dihitung secara teoritis saja, karena tidak praktis dalam beberapa sistem energi, sehingga terdapat dua kemungkinan. Salah satunya telah digunakan selama beberapa waktu, dan ini melibatkan penggunaan data eksperimen yang diperoleh dari tumbukan elektron-positron, yang menghasilkan partikel lain yang terdiri dari quark. Yang lainnya adalah QCD kisi, yang baru menjadi kompetitif dalam dekade ini dan memerlukan simulasi proses teoritis dalam superkomputer.

“Masalah utama dalam memprediksi muon g-2 saat ini adalah bahwa hasil yang diperoleh dengan menggunakan data tumbukan elektron-positron tidak sesuai dengan hasil eksperimen secara keseluruhan, sedangkan hasil berdasarkan kisi QCD sesuai. Namun tidak demikian,” kata Boito. “Tidak ada yang tahu pasti alasannya, dan penelitian kami menjelaskan sebagian dari teka-teki ini.”

Ia dan rekan-rekannya melakukan penelitian khusus untuk mengatasi masalah ini. “Artikel ini melaporkan hasil sejumlah penelitian di mana kami mengembangkan metode baru untuk membandingkan hasil simulasi kisi QCD dengan hasil berdasarkan data eksperimen. “Kami telah menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk mengekstraksi kontribusi perhitungan yang dihitung dengan sangat akurat. data ke kisi – kontribusi dari apa yang disebut diagram kontinum Feynman,” katanya.

Fisikawan teoretis Amerika Richard Feynman (1918-1988) memenangkan Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1965 (bersama Julian Schwinger dan Shinichiro Tomonaga) atas karya fundamentalnya dalam elektrodinamika kuantum dan fisika partikel elementer. Diagram Feynman, dibuat pada tahun 1948, adalah representasi grafis dari ekspresi matematika yang menggambarkan interaksi partikel-partikel ini dan digunakan untuk menyederhanakan perhitungan yang terlibat.

“Dalam studi ini, kami memperoleh kontribusi diagram kontinum Feynman dalam apa yang disebut 'jendela energi rata-rata' dengan presisi tinggi untuk pertama kalinya. Saat ini kami memiliki delapan hasil untuk kontribusi ini, yang diperoleh melalui simulasi kisi QCD, dan semuanya adalah sangat setuju. Selain itu, kami telah menunjukkan Hasil berdasarkan data interaksi elektron-positron tidak sesuai dengan delapan hasil simulasi ini.

Hal ini memungkinkan peneliti untuk mengidentifikasi sumber masalah dan memikirkan solusi yang mungkin. “Menjadi jelas bahwa jika data eksperimen saluran dua pion diremehkan karena alasan tertentu, hal ini mungkin menjadi penyebab perbedaan tersebut,” katanya. Pion adalah meson, partikel yang tersusun dari quark dan antiquark yang dihasilkan melalui tumbukan energi tinggi.

Faktanya, data baru (masih dalam tahap peer review) dari Pengalaman CMD-3 Studi yang dilakukan di Universitas Negeri Novosibirsk di Rusia ini tampaknya menunjukkan bahwa data saluran biner tertua mungkin diremehkan karena suatu alasan.

Referensi: “Penentuan komponen light-quark dari kontribusi jendela rata-rata terhadap muon berdasarkan data g−2“Oleh Jenessa Benton, Diogo Boito, Martin Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman, dan Santiago Pires, 21 Desember 2023, Surat ulasan fisik.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

Partisipasi Boito dalam penelitian ini adalah bagian dari proyeknya “Menguji Model Standar: QCD Presisi dan muon g-2,” di mana FAPESP memberinya Hibah Penyelidik Muda Tahap II.