התנהגות מיון חריגה הצביעה על פיזיקה מעבר לתיאוריות מודרניות

ניסוי Muon g-2 מדד את הרגע המגנטי החריג של המונים, ומאשר שהוא אינו תואם את הערך המחושב. סטייה זו מצביעה על קיומם של חלקיקים או אינטראקציות שאינן ידועות במודל הסטנדרטי של מכניקת הקוונטים.

המודל הסטנדרטי של מכניקת הקוונטים מתאר במדויק מאוד את התנהגות החלקיקים היסודיים. עם זאת, נוסחאותיה לא תמיד פועלות, מה שעשוי להצביע על חוסר השלמות של התיאוריה ועל קיומה של "פיזיקה חדשה" עמוקה ויסודית יותר. אחת החריגות הללו היא הפער בין מחזור המון לבין החישובים המדויקים ביותר. פיזיקאים משיתוף הפעולה של Muon g-2 מדדו סטייה זו בדיוק רב, ואישרו שהיא קיימת ואולי קשורה להשפעת חלקיקים שטרם ידועים. מדענים כותבים על כך במאמר שפורסם בכתב העת Physical Review Letters.

המונים הם חלקיקים אלמנטריים, הדומים לאלקטרונים, אך כבדים מהם פי 200 וכמעט לא יציבים. למוונים יש גם מטען שלילי וספין חצי שלם (1/2), שבגללו יש להם רגע מגנטי. ברגע שהם נמצאים בשדה מגנטי חיצוני, הם מסיטים ומתנדנדים (פריס) כמו גירוסקופים זעירים. מישור זה תלוי במסת החלקיק, במטען שלו ובגורם ה- g - גורם הקובע את ההבדל בין הרגעים המגנטיים והמכניים של החלקיק.

בחלל ריק, שבו יש יצירה מתה ומוות של חלקיקים וירטואליים, נוכחותם משפיעה על הרגע המגנטי של המונים, וכתוצאה מכך, על ערך ה- G-Factor. המודל הסטנדרטי של מכניקת הקוונטים מאפשר לקחת בחשבון את התרומה של כל החלקיקים הידועים ולחשב את ה- g-Factor בדיוק רב. עם זאת, מדידות ניסיוניות של תקופת המואונים אינן תואמות מעט את תחזיות התיאוריה. הסטה זו ידועה כבעיית הרגע המגנטי החריג של המואון, ומעריכה כי קיימת חלקיקים או אינטראקציות מאסיביות שטרם ידועות.

ניסוי Muon g-2 מוצא עדויות חזקות לפיזיקה חדשה

לפיכך, הערך המדויק ביותר של הרגע המגנטי החריג של המונים, שהושג בשנת 2020, הוא 0.00116591810. במקביל, ניסויים שנערכו במעבדה הלאומית ברוקהאבן (BNL) הראו ערך של 0.00116592080. מדידות חדשות של הרגע המגנטי החריג. בוצעו על ידי פיסיקאים מפרמילאב. למרבה הפלא, לשם כך הם השתמשו בטבעת אחסון מגנטית מ- Brookhaven, אותה העבירו לפני מספר שנים למעבדה חדשה וחיברו למאיץ החלקיקים ב- Fermilab במיוחד כדי למדוד את הרגע המגנטי החריג של המונים.

במהלך ניסוי Muon g-2, זרם של מיונים הופנה אל טבעת מגנטית. בחלל ריק, החלקיקים נעים במהירות הקרובה לאור, ומדענים מדדו את מידתם. יותר מ -200 מומחים משבע מדינות לקחו חלק בשיתוף הפעולה, ובמהלך 2018 אספו יותר משמונה מיליארד מדידות. הניתוח והעיבוד הסטטיסטי של נתונים אלה ארכו כמעט שנתיים, ותוצאותיהם פורסמו רק כעת. בהתחשב בנתונים הקודמים והחדשים, גורם ה- muon g הוא 2.00233184122, והרגע המגנטי החריג הוא 0.00116592061.

הערך המתקבל על ידי שילוב מדידות BNL ו- Fermilab יש סטיית תקן של 4.2 סיגמא. הסיכוי שזה תוצאה של תנודות אקראיות אינו עולה על אחת מכל ארבעים אלף. אף על פי כן, הסטייה כבר מתקרבת לחמישה סיגמות - "תקן הזהב" של פיזיקת החלקיקים היסודיים, המאפשרת לנו לדבר בביטחון על הגילוי. מדענים בטוחים שבקרוב הם יתגברו על ערך זה.

לדבריהם, עד כה עבדו רק כשישה אחוזים מהמידע אותו צריך לאסוף ניסוי g-2 של Muon. עיבוד נתוני ההשקות השנייה והשלישית של המערכת נמשך, יחד עם מדידות ההשקה הרביעית. "כבר התוצאות הראשונות מראות סטייה מסקרנת מהתחזיות של המודל הסטנדרטי, - אומר אחד מנציגי שיתוף הפעולה כריס פולי (כריס פולי) - אבל בשנתיים הקרובות נלמד הרבה".