فشل الميون في قلب الفيزياء كما نعرفها

مسمار آخر قد يختم نعش الميون كمكان لفيزياء جديدة. وجد فريق من الفيزيائيين، الذين أجروا حسابات دقيقة للغاية لخصائص الميون في عمليات المحاكاة، أن خصائص الجسيم أكثر توافقًا مع النموذج القياسي مما كان يُعتقد سابقًا.

يُطلق على الفريق اسم BMW Collaboration وفريقه تتم استضافة الأبحاث حاليًا على خادم الطباعة المسبق arXiv، مما يعني أنه لم يتم نشرها بعد في مجلة خاضعة لمراجعة النظراء. النتائج السابقة للفريق، نشرت في طبيعة وفي عام 2021، “أضعفت التناقض طويل الأمد بين التجربة والنظرية”. بمعنى آخر، لقد جعل عملهم الفيزياء التجريبية أقرب إلى التوقعات النظرية عندما يتعلق الأمر بفهمنا للميون.

في ورقته الجديدة، أجرى الفريق عمليات محاكاة واسعة النطاق للديناميكية الكمية للشبكة (QCD) على شبكات أدق مما كانت عليه في عمله السابق، مما أدى إلى حسابات أكثر دقة. في جوهر الأمر، أخذ الفريق QCD كمدخل، ووضع شبكة على الزمكان، وقام بمحاكاتها. تنبأت نتائجهم بوجود لحظة مغناطيسية شاذة للميون كانت 0.9 انحرافًا معياريًا فقط عن المتوسط ​​التجريبي لقياسات الخاصية.

الميون والنموذج القياسي

الميون هو جسيم أولي يبلغ كتلته حوالي 207 أضعاف كتلة الإلكترون. لمدة 20 عامًا تقريبًا، اعتبر العلماء الميون مكانًا محتملاً لاكتشاف فيزياء جديدة. تكمن المشكلة في قياسات العزم المغناطيسي الشاذ للجسيم، أو g-2، وهي خاصية تصف مساهمة ميكانيكا الكم في تمايل الجسيمات في وجود مجال مغناطيسي. اختلف G-2 للميون مع تنبؤات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وهي مجموعة النظريات الأساسية التي دعمت الفيزياء على مدار الخمسين عامًا الماضية.

على عكس التجارب الكبيرة التي تقيس g-2 من خلال اصطدامات الجسيمات، فإن بحث الفريق “لا يحتاج إلى أي مدخلات تجريبية. قال المؤلف المشارك في الدراسة زولتان فودور، عالم فيزياء الجسيمات النظرية في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، في مكالمة مع جيزمودو: “إنها تحتاج فقط إلى تفعيل النظرية الأساسية، وهي QCD”. “ينتهي بك الأمر إلى ما تراه في أرقامنا اليوم: أن النتيجة تتفق تمامًا مع النتيجة التجريبية.”

بمعنى آخر، تشير النتائج التي توصل إليها الفريق إلى أن الفجوة الواضحة بين العزم المغناطيسي الشاذ المتوقع للميون وتلك التي تنبأ بها النموذج القياسي ليست كبيرة كما اقترحت النتائج السابقة.

اقترحت النتائج التجريبية الرئيسية فيزياء جديدة

تم قياس العزم المغناطيسي الشاذ للميون لأول مرة في سيرن في ستينيات القرن العشرين، لكن القياس كان غير دقيق. في عام 2006، أصدرت تجربة E821 في مختبر بروكهافن الوطني قياساتها النهائية لـ g-2 للميون، والتي اختلفت عن تنبؤات النموذج القياسي بأكثر من انحرافين معياريين، وتضخمت إلى فرق يزيد عن ثلاثة انحرافات معيارية بعد الحسابات اللاحقة.

قال أندرياس كريفيلين، عالم الفيزياء النظرية في جامعة زيوريخ ومعهد بول شيرير، في مكالمة مع جيزمودو: “إن تفسير g-2 للميون بفيزياء جديدة ليس بهذه السهولة”. “إنه ليس شيئًا يأتي بشكل طبيعي؛ بل عليك أن تعمل على إيجاد نموذج يمنحك تأثيرًا كبيرًا.

إن المعلم الإحصائي الذي يعتقد الفيزيائيون أنه قد تم عنده اكتشاف حقيقي – مما يشير إلى أن احتمال حدوث النتيجة بالصدفة في ظل النموذج القياسي صغير للغاية – هو خمسة انحرافات معيارية، أو “خمسة سيجما”.

في عام 2021، أعلنت مجموعة Muon g-2 Collaboration عن قياس العزم المغناطيسي للميون الذي يختلف مع النموذج القياسي بمقدار 4.2 انحرافات معيارية. واتسعت الفجوة بين الأرقام منذ نتيجة بروكهافن. ولكن في العام الماضي، بدا أن النتائج التجريبية للمسرع CMD-3 في روسيا أدت إلى تقليص التناقض بين الأرقام. خطوتان إلى الأمام، وخطوة إلى الوراء، اعتمادًا على الطريقة التي تنظر بها إلى الأمر.

قال كريفيلين: “إن هذا الحساب الأساسي الأول من الشبكة وقياس CMD-3 متفقان، وكلاهما لا يشيران إلى فيزياء جديدة”. “أنا لست متفائلًا جدًا بوجود تأثير فيزيائي جديد كبير حقًا في g-2 للميون.”

إلو أين سيقودنا هذا الأمر!؟

هناك طرق أخرى لاستكشاف خصائص الميون. في عام 2022، سأل جيزمودو العديد من علماء الفيزياء عن الإنجاز الكبير التالي في فيزياء الجسيمات، نظرًا للهدوء النسبي منذ رصد هيغز بوسون في عام 2012. واقترح أحد الفيزيائيين مصادمًا للميونات – “إذا كانت لدينا مشكلة مع الميونات، فلنستخدمها”. قالوا: “الميونات لمعرفة ذلك”.

في الأسبوع الماضي فقط، نشر فريق مختلف من الباحثين تحليله لتجربة شعاع الميون التي يمكن أن تمهد الطريق لمصادمات الميون في المستقبل. لكن بناء مصادم جديد يمكن أن يكون مكلفًا ويستغرق وقتًا طويلاً.

مع التجارب الحالية، يكون المزيد من البيانات مفيدًا دائمًا، وإعادة اختبار النتائج السابقة بطرق أكثر دقة يمكن أن يشير إلى ما إذا كان النموذج القياسي لا يزال صامدًا. من المتوقع أن تُصدر تجربة Fermilab Muon g-2 نتائجها النهائية في العام المقبل. إذا كانت النتائج السابقة تمثل أي مؤشر، فإن رقم العام المقبل سيكون بمثابة نقطة بيانات أخرى في ملحمة الميون، وليس الفصل الأخير منها.