От надгробната плоча на Швингер до суперкомпютрите: как решаването на мюонната загадка ще промени науката
Нови калкулации удостоверяват данните от Fermilab.
В света на науката най-вълнуващите моменти настъпват, когато получените резултати не дават отговор на упованията макар положените старания. При теоретиците това се случва, когато получените резултати опонират на пробно известните данни, а при експериментаторите – когато измерванията опровергават теоретичните прогнози. Подобни несъответствия могат да възвестят научна гражданска война, акцентирайки минусите в основите на науката, или просто да разкрият неоткрити до момента неточности.
През последните петдесет години едно от главните провокации във физиката на обикновените частици беше откриването на несъответствия сред теорията и опита в границите на Стандартния модел. Особено внимание беше отделено на магнитния миг на мюона, тежък и неустойчив родственик на електрона. Експериментът „ Muon g-2 “ във Fermilab сподели противоречие сред теорията и опита от повече от 4 сигма, което се приближава до стандарта за изобретение. Дали обаче това е доказателство за нова физика?
Според новите теоретични калкулации – не: оказа се, че казусът е в методологията, употребена от множеството теоретици. Новите техники за пресмятане, употребяващи решетъчната QCD (квантова хромодинамика), демонстрираха, че теорията и опитът съответстват, което демонстрира решението на тази мистерия.
Когато частици с електрически заряд се движат, те основават магнитно поле. Ако една парченце се върти към друга заредена парченце или към оста си, като да вземем за пример електронът към протона или Земята към Слънцето, тя придобива магнитен миг, действайки като магнитен дипол. В квантовата механика частиците се държат по този начин, като че ли имат присъща ъглова скорост или спин. Ако Вселената беше чисто квантовомеханична, цената на „ g “ щеше да е тъкмо 2, както е предсказано от Дирак.
Стойността на „ g “ обаче не е тъкмо 2, което демонстрира, че Вселената не се разказва единствено от остарялата квантова механика. Квантовата доктрина на полето твърди, че освен частиците, само че и полетата, свързани с фундаменталните сили, също са квантови. Един електрон, изпитващ електромагнитна мощ, може да обменя виртуални и действителни частици съгласно квантовата доктрина на полето.
През 1948 година Джулиан Швингер пресмята най-големия принос към „ g-2 “ за електрона и мюона, което става толкоз значимо, че е гравирано на надгробната му плоча. Въпросът за „ g-2 “ за мюона е значим, защото мюонът, който е по-тежък от електрона, е по-засегнат от мощното взаимоотношение. Ефектите на по-голямата мощ се демонстрират на равнище една част на милиард, което се мери с опита „ g-2 “ на мюона във Fermilab.
През месец април 2021 година цената на g-2 за мюона беше измерена с висока акуратност. Новите резултати, оповестени през август 2023 година, в допълнение усъвършенстваха тази акуратност. Истинският тест обаче беше сравнението с теоретичните прогнози.
Традиционно резултатите на квантовата електродинамика се пресмятат посредством комплицирани диаграмни калкулации, които не работят при мощното взаимоотношение заради неговата нелинейност. Методът на r-отношението употребява пробните данни, с цел да пресметна индиректно приноса на мощното взаимоотношение, само че може да внесе систематични неточности. За разлика от тях новите способи на QCD на решетката ни разрешават непосредствено да изчислим приноса на частиците и полето на мощното взаимоотношение по отношение на магнитния миг на мюона.
Най-новите калкулации, употребяващи решетъчно QCD, демонстрираха, че са в унисон с пробните резултати от Fermilab, до момента в който по-старите способи посочваха обилни несъответствия. Това указва нуждата от потребление на решетъчно QCD за прецизни теоретични калкулации.
По този метод, макар очакванията за разкриване на нова физика, опитът Muon g-2 удостовери значимостта на преразглеждането на методите за теоретични калкулации. Благодарение на новите способи на решетъчното QCD загадката на магнитния миг на мюона наподобява най-сетне е разгадана.