Studie klärt eine Schlüsselfrage der Teilchenphysik zum magnetischen Moment von Myonen

Das magnetische Moment ist eine intrinsische Eigenschaft eines Teilchens mit Spin, die aus der Wechselwirkung zwischen dem Teilchen und einem Magneten oder einem anderen Objekt mit einem Magnetfeld entsteht. Das magnetische Moment ist wie Masse und elektrische Ladung eine der Grundgrößen der Physik.

Es besteht ein Unterschied zwischen dem theoretischen Wert des magnetischen Moments eines Myons, eines Teilchens, das zur gleichen Klasse wie das Elektron gehört, und den Werten, die in Hochenergieexperimenten in Teilchenbeschleunigern erhalten werden. Der Unterschied tritt erst ab der achten Dezimalstelle auf, doch seit seiner Entdeckung im Jahr 1948 sind Wissenschaftler von ihm fasziniert.

Es ist kein Detail: Es kann darauf hinweisen, ob das Myon mit Teilchen der Dunklen Materie oder anderen Higgs-Bosonen wechselwirkt oder ob sogar unbekannte Kräfte an dem Prozess beteiligt sind.

Der theoretische Wert des magnetischen Moments des Myons, dargestellt durch den Buchstaben g, wird durch die Dirac-Gleichung angegeben – formuliert vom englischen Physiker und Nobelpreisträger von 1933, Paulo Dirac (1902–1984), einem der Begründer der Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik. als 2. Experimente haben jedoch gezeigt, dass g nicht genau 2 ist, und es besteht großes Interesse daran, „g-2“ zu verstehen, dh den Unterschied zwischen dem experimentellen Wert und dem durch die Dirac-Gleichung vorhergesagten Wert.

Der beste derzeit verfügbare experimentelle Wert, der mit beeindruckender Präzision am Fermi National Accelerator Laboratory in den Vereinigten Staaten ermittelt und im August 2023 bekannt gegeben wurde, ist 2,00116592059, mit einem Unsicherheitsbereich von plus oder minus 0,00000000022. Informationen über das am Fermilab durchgeführte Muon-G-2-Experiment finden Sie unter: muon-g-2.fnal.gov/.

„Die genaue Bestimmung des magnetischen Moments des Myons ist zu einem Schlüsselthema in der Teilchenphysik geworden, da die Untersuchung dieser Lücke zwischen den experimentellen Daten und der theoretischen Vorhersage Informationen liefern kann, die zur Entdeckung eines spektakulären neuen Effekts führen könnten“, sagte der Physiker Diogo Boito, a Professor am São Carlos Institute of Physics (IFSC-USP) der Universität São Paulo, sagte gegenüber Agência FAPESP.

Ein Artikel zu diesem Thema von Boito und Mitarbeitern ist veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.

„Unsere Ergebnisse wurden auf zwei wichtigen internationalen Veranstaltungen präsentiert. Zuerst von mir während eines Workshops in Madrid, Spanien, und später von meinem Kollegen Maarten Golterman von der San Francisco State University bei einem Treffen in Bern, Schweiz“, sagte Boito.

Diese Ergebnisse quantifizieren und weisen auf den Ursprung einer Diskrepanz zwischen den beiden Methoden hin, mit denen aktuelle Vorhersagen über Myon g-2 getroffen werden.

„Derzeit gibt es zwei Methoden zur Bestimmung einer fundamentalen Komponente von g-2. Die erste basiert auf experimentellen Daten und die zweite auf Computersimulationen der Quantenchromodynamik oder QCD, der Theorie, die starke Wechselwirkungen zwischen Quarks untersucht. Diese beiden Methoden produzieren „Es kommt zu ganz anderen Ergebnissen, was ein großes Problem darstellt. Bis es gelöst ist, können wir die Beiträge möglicher exotischer Teilchen wie zum Beispiel neuer Higgs-Bosonen oder Dunkler Materie zu g-2 nicht untersuchen“, erklärte er.

Der Studie gelang es, die Diskrepanz zu erklären, aber um sie zu verstehen, müssen wir ein paar Schritte zurückgehen und noch einmal mit einer etwas detaillierteren Beschreibung des Myons beginnen.

Das Myon ist ein Teilchen, das wie das Elektron zur Klasse der Leptonen gehört, aber eine viel größere Masse hat. Aus diesem Grund ist es instabil und überlebt in einem Hochenergiekontext nur für sehr kurze Zeit. Wenn Myonen in Gegenwart eines Magnetfelds miteinander interagieren, zerfallen sie und gruppieren sich zu einer Wolke aus anderen Teilchen wie Elektronen, Positronen, W- und Z-Bosonen, Higgs-Bosonen und Photonen.

In Experimenten werden Myonen daher immer von vielen anderen virtuellen Teilchen begleitet. Ihre Beiträge führen dazu, dass das in Experimenten gemessene tatsächliche magnetische Moment größer ist als das theoretische magnetische Moment, das durch die Dirac-Gleichung berechnet wird und gleich 2 ist.

„Um den Unterschied zu erzielen [g-2]Es ist notwendig, alle diese Beiträge zu berücksichtigen – sowohl die von QCD vorhergesagten [in the Standard Model of particle physics] und andere, die kleiner sind, aber in hochpräzisen experimentellen Messungen auftauchen. „Wir kennen einige dieser Beiträge sehr gut – aber nicht alle“, sagte Boito.

Die Auswirkungen der starken QCD-Wechselwirkung können nicht allein theoretisch berechnet werden, da sie in einigen Energieregimen nicht praktikabel sind. Daher gibt es zwei Möglichkeiten. Eine davon wird seit einiger Zeit verwendet und erfordert den Rückgriff auf experimentelle Daten aus Elektron-Positron-Kollisionen, bei denen andere Teilchen aus Quarks entstehen. Die andere ist die Gitter-QCD, die erst in diesem Jahrzehnt wettbewerbsfähig wurde und die Simulation des theoretischen Prozesses in einem Supercomputer beinhaltet.

„Das Hauptproblem bei der Vorhersage von Myon g-2 besteht derzeit darin, dass das Ergebnis, das mithilfe von Daten aus Elektron-Positron-Kollisionen erhalten wurde, nicht mit dem gesamten experimentellen Ergebnis übereinstimmt, während die Ergebnisse, die auf der Gitter-QCD basieren, dies tun. Niemand war sich sicher, warum, und „Unsere Studie klärt einen Teil dieses Rätsels“, sagte Boito.

Er und seine Kollegen haben ihre Forschung genau zur Lösung dieses Problems durchgeführt. „Der Artikel berichtet über die Ergebnisse einer Reihe von Studien, in denen wir eine neuartige Methode entwickelt haben, um die Ergebnisse von Gitter-QCD-Simulationen mit den Ergebnissen basierend auf experimentellen Daten zu vergleichen. Wir zeigen, dass es möglich ist, aus den Daten Beiträge zu extrahieren, die in berechnet werden.“ Gitter mit großer Präzision – die Beiträge sogenannter verbundener Feynman-Diagramme“, sagte er.

Der amerikanische theoretische Physiker Richard Feynman (1918-1988) erhielt 1965 den Nobelpreis für Physik (zusammen mit Julian Schwinger und Shin’ichiro Tomonaga) für grundlegende Arbeiten in der Quantenelektrodynamik und der Physik der Elementarteilchen. Feynman-Diagramme, erstellt im Jahr 1948, sind grafische Darstellungen der mathematischen Ausdrücke, die die Wechselwirkung solcher Teilchen beschreiben und zur Vereinfachung der jeweiligen Berechnungen dienen.

„In der Studie haben wir erstmals mit großer Präzision die Beiträge verbundener Feynman-Diagramme im sogenannten ‚Zwischenenergiefenster‘ ermittelt. Heute liegen uns acht Ergebnisse für diese Beiträge vor, die mittels Gitter-QCD-Simulationen gewonnen wurden, und.“ „Alle stimmen weitgehend überein. Darüber hinaus zeigen wir, dass die Ergebnisse, die auf Daten zur Elektron-Positron-Wechselwirkung basieren, nicht mit diesen acht Ergebnissen aus Simulationen übereinstimmen“, sagte Boito.

Dies ermöglichte es den Forschern, die Ursache des Problems zu lokalisieren und über mögliche Lösungen nachzudenken. „Es wurde klar, dass die Ursache für die Diskrepanz sein könnte, wenn die experimentellen Daten für den Zwei-Pion-Kanal aus irgendeinem Grund unterschätzt würden“, sagte er. Pionen sind Mesonen – Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen und bei hochenergetischen Kollisionen entstehen.

Tatsächlich wurden neue Daten (die noch von Experten überprüft werden) von der CMD-3-Experiment Eine an der Staatlichen Universität Nowosibirsk in Russland durchgeführte Studie scheint zu zeigen, dass die ältesten Zwei-Pion-Kanaldaten aus irgendeinem Grund möglicherweise unterschätzt wurden.