Läpimurto myonitutkimuksessa: magneettimomentin tarkkuus saavutettu!

Läpimurto myonitutkimuksessa: magneettimomentin tarkkuus saavutettu!

3. kesäkuuta 2025 Muon g-2 -yhteistyö esitteli kolmannen ja viimeisen myonin poikkeavan magneettisen momentin mittauksen. Tämä uusi analyysi päätyi kokeelliseksi arvoksi aµ = (g−2)/2 = 0,001 165 920 705 ± 0,000 000 000 148 ja ylitti alkuperäiset tavoitteet odottamattoman suurella tarkkuudella, 127 ppm. Tämä osoittaa merkittäviä edistysaskeleita tarkkuusmittauksissa, joilla on tärkeä rooli nykyaikaisessa hiukkasfysiikassa.

Mittaukset tehtiin Fermi National Accelerator Laboratoryssa (Fermilab), ja ne sisältävät tietoja kuusi vuotta kestäneestä tutkimusvaiheesta, joka kesti 9.7.2023 saakka. Tänä aikana mitattiin yli 308 miljardia myonia, ja mittauksen tarkkuus parani 200:sta 127 osaan miljardia. Professori tohtori Martin Fertl Johannes Gutenberg University Mainzista on ainoa saksalainen tutkija kansainvälisessä Muon g-2 -yhteistyössä, joka kokoaa yhteen lähes 180 tutkijaa 37 laitoksesta seitsemästä maasta.

Katsaus muon g-2 -kokeeseen

Muon g-2 -kokeessa seurataan myonien magneettisen momentin precessiota, jotka ovat samankaltaisia ​​kuin ne, mutta ovat noin 200 kertaa elektroneja raskaampia. Näillä perushiukkasilla on suhteellisen lyhyt käyttöikä ja pidemmät ominaisuudet, joihin alipainevaihtelut vaikuttavat. Nämä vaihtelut ovat myös syynä poikkeavan magneettisen momentin virtapoikkeamaan, joka poikkeaa noin 0,1 % teoreettisesta arvosta. Kokeessa käytetään 14 metriä halkaisijaltaan olevaa suprajohtavaa magneettirengasta myonien analysoimiseen kontrolloiduissa olosuhteissa.

Viimeisimmät tulokset ovat yhdenmukaisia ​​aikaisempien vuosien 2021 ja 2023 mittausten kanssa, mutta tarjosivat uutta, tarkempaa tietoa. Muon g-2 Theory Initiative on samanaikaisesti julkaissut uusia ennusteita poikkeavalle magneettimomentille, jotka antavat hila-QCD-laskelmien perusteella teoreettisen arvon aµ = (g−2)/2 = 0,001 165 920 33 ± 0,000 000 000 62. Tämä sopimus voisi tarjota todisteita siitä, että on olemassa fyysisiä ilmiöitä, jotka ylittävät standardimallin.

Yhteydet pimeään aineeseen

Epänormaalin magneettisen momentin tutkimus voi myös tarjota tärkeitä näkemyksiä pimeästä aineesta, jota pidetään universumin rakenteiden perusrakennuspalikkana. Fyysikot etsivät pimeää ainetta kahdella menetelmällä: suorilla kokeilla hiukkaskiihdyttimillä, kuten Large Hadron Colliderilla, ja epäsuorilla tutkimuksilla tunnetuista fysikaalisista prosesseista, jotka vaativat tarkkuutta. Fermilabin mittaukset ovat osoittaneet, että myonit pystyvät etsimään tyhjiöstä virtuaalisia hiukkasia ja siten mahdollisesti löytämään uusia hiukkasia, jotka voivat muodostaa pimeää ainetta.

Fermilabin kokeet ovat myös mullistaneet ymmärryksen teoreettisista laskelmista, jotka aiemmin poikkesivat havainnoista. Uusimmassa tutkimuksessa tyhjiön vaihteluiden tarkemmasta tarkastelusta syntyi uusia oivalluksia, mikä teki poikkeamista vakiomallista ymmärrettävämmiksi.

Vaikka Muon g-2 -koe on nyt valmis, se voisi silti toimia vertailukohtana tuleville mittauksille. Toisen Japanissa tehtävän kokeen on tarkoitus tuottaa lisätietoa, vaikkakin pienemmällä tarkkuudella, 2030-luvulla. Haasteena on tulosten tulkitseminen ja vastausten löytäminen uusimpien tulosten herättämiin kysymyksiin, mukaan lukien tarve selvittää, miksi LHC:stä ei löydetty uusia hiukkasia.

Viimeaikaiset paljastukset ja teoreettisen fysiikan kehitys tekevät selväksi, että myon g-2:n ja LHC-kokeiden toisinaan ristiriitaiset tulokset voivat johtaa hiukkasfysiikan jännittävään vaiheeseen, jossa vanhat teoriat kyseenalaistetaan ja uusia ideoita kehitetään universumin ja sen perusvoimien ymmärtämiseksi paremmin.

Viimeisenä, mutta ei vähäisimpänä, Muon g-2 -yhteistyö määrittelee polun tuleville tieteellisille löydöksille ja edistää sellaisten fysikaalisten peruskäsitteiden ymmärtämistä, jotka menevät pitemmälle kuin mitä aiemmin pidämme itsestäänselvyytenä.

Lisätietoa ja lisätietoa tutkimuksesta löydät täältä tässä, pimeän aineen roolista tässä ja keskustella uusien hiukkasten etsimisestä tässä.