“Doğanın Tüm Temel İçeriklerini Anlıyor Muyuz?” Muon Deneyi Parçacık Fiziğinin Standart Modelini Geliştirmeye Yönelik Çabalar İçin Çığır Açan Ödül Kazandı

müon daha az yaygın olan temel parçacıklardan biridir. Daha ağır bir kuzeni gibi elektron ve bir dizi parçacık çarpışmasının ürünü olarak oluşabilir. Dolayı kozmik ışınlar sürekli başımıza düşüyor, farkına bile varmadan her saniye sana müon çarpıyor.

Bu deneyin belirlemeye çalıştığı şey […] doğanın tüm temel bileşenlerini anlıyor muyuz?

Doktor Chris Polly

Hem elektronlar hem de müonlar elektrik yüküne sahiptir ve bir manyetik alan üretirler. Temel parçacıkların ayrıca spin adı verilen bir özelliği vardır; bu, parçacıkların fiziksel olarak bir tepe noktası gibi döndüğü anlamına gelmese de, birçok yönden sanki öyleymiş gibi davranmalarına neden olur. Spin manyetik bir an üretir ve tam da o anın formülasyonunda şunu buluruz: g faktörü.

G faktörü bu manyetik anın gücünü tanımlar ve eğer kuantum mekaniğinin boyunduruğu altında olmasaydık değeri 2 olurdu. Ne yazık ki gerçeklik bundan daha karmaşıktır.

Kuantum alan teorisine göre parçacıklar “sanal parçacıklar“boşlukta ortaya çıkıp yok oluyorlar. Bu sanal parçacıkların geçici köpük gibi görünüp kaybolmasından dolayı bu olay aynı zamanda kuantum köpüğü olarak da tanımlanmaktadır. Bazı sanal parçacıkların yükleri vardır ve bunlar g’nin gerçek değerini etkiler.

Teorisyenler için zorluk, tüm bu etkileşimlerin olasılığını ve gücünü hesaplamak ve yüksek hassasiyetli bir değer üretmektir; Deneyciler için asıl zorluk onu ölçmektir. İkisi arasındaki yarış onlarca yıldır sürüyor: 1960’lardaki CERN’den Brookhaven deneyi yoluyla bugünkü Fermilab’a kadar.

“Bu deneyin her neslini motive eden şey zamanla biraz değişti, ancak temel olarak bu deneyin belirlemeye çalıştığı şey, evrenin parçacıklarını çevreleyen kuantum köpüğüne bakarak doğanın tüm temel bileşenlerini anlıyor muyuz?” Chris PollyABD Enerji Bakanlığı Fermilab’ında fizikçi ve Muon g-2 projesinin eş sözcüsü IFLScience’a söyledi.

standart model Parçacık fiziğinin bilimi, maddenin yapı taşları ve evrenin temel kuvvetlerinin dörtte üçü hakkındaki en iyi anlayışımızı desteklemektedir. Yerçekimi (henüz) buna uymuyor ve evrenin varsayımsal ama önemli özellikleri karanlık madde Ve karanlık enerji bu teoriden de kaçıyorlar. Yine de çok sayıda testi geçerek ve birkaç parçacığın varlığını tahmin ederek son derece başarılı oldu. Higgs bozonu.

Sınırlamalar, teoride henüz yakalanmamış daha fazla şeyin olduğunu ve g-2 ölçümünün tarihsel olarak bu arayış için çok önemli bir savaş alanı olduğunu ima ediyor. Deneyin bu kadar uzun süre devam etmesinin ve çok önemli bir bileşenin Brookhaven, New York’tan Fermilab, Illinois’e taşınmasının neden yeterince önemli olduğunun nedeni budur. maceralı yolculuk 2013’te. Geziye kesinlikle değer!

“Fermilab deneyi, 1965’te CERN’de yapılan g-2 deneyinden 34.000 kat daha kesindir.” David HertzogFermilab’daki Muon g-2 deneyinin eski eş sözcüsü IFLScience’a söyledi. “İşte bu kadar ilerledik. Ve her seferinde, gerçekleşebilecek binlerce ve binlerce küçük süreçten oluşan kataloğun daha fazlasını, daha fazlasını oluşturmak zorunda kaldık.”

Nihai sonuç, önceki deneysel sonuçlarla aynı fikirde ve onları büyük ölçüde geliştiriyor. Milyarda 140 parça hassasiyetini hedefliyorlardı; milyarda 127 parçaya ulaştılar. Teori artık yetişmesi gereken taraftır.

Polly, IFLScience’a şunları söyledi: “Denemenin gerçekten anlamlı bir şey söylemesi için, deneysel ölçümü teorik tahminle karşılaştırabilmeniz gerekir, çünkü aralarındaki farklılık sayesinde, kuantum köpüğüne yüksek enerjili çarpıştırıcılarda henüz keşfetmediğimiz yeni parçacıkların girebileceğini biliyoruz.”

Parçacık düzeyinde olup biten her şeyi anlamaya yönelik yeni bir yaklaşım, kafes kuantum renk dinamiği (kafes QCD) olarak bilinir. Bu, atomların çekirdeğinde ve kuarkları veya kuarklardan (hadronlar – protonları ve nötronları içeren bir parçacık grubu) oluşan parçacıkları içeren etkileşimlerde mevcut olan güçlü nükleer kuvvetin incelenmesidir.

g-2 teorik değerindeki büyük bir belirsizlik kaynağına hadronik vakum polarizasyonu (HVP) denir. Temel olarak, kısa süreliğine bir çeşit hadrona dönüşen, sonra tekrar fotona dönüşen ve yeniden emilen sanal bir fotonunuz var. Kafes QCD’sinden önceki bu küçük kuantum düzeltmesini hesaplamak son derece zordu ve elektronlar ile pozitronlar arasındaki çarpışmaları içeren deneylerden tahmin edilmesi gerekiyordu (onların antimadde benzerleri), e⁺e⁻ olarak da bilinir.

Kafes QCD’nin gelişimi son derece heyecan verici çünkü g-2 değeri onlarca yıldır teorik tahminlerden farklıydı. Şimdi kafes-QCD ortaya çıkıyor ve Fermilab sonuçları en yüksek hassasiyete ulaşıyor ve ikisi birbiriyle aynı fikirde. Sorun çözüldü mü? O kadar hızlı değil. Lattice-QCD, HVP değerini elde eden elektron-pozitron deneylerinin çoğuyla aynı fikirde değil.

“Ne [the g-2 result] Polly, IFLScience’a şöyle konuştu: “Çünkü e⁺e⁻’den elde edilen, kuarkların ne sıklıkta ortaya çıktığını tahmin eden bir veri kümesine sahibiz; bu, kafes QCD’den bu kuarkların ne sıklıkta ortaya çıkmasını beklememiz gerektiğini hesaplamasını istediğimizde olduğundan çok farklıdır. Ve şu andaki asıl soru şu: Kim haklı? Deneysel girdiler mi yoksa kafes QCD mi?”

“Teorinin bu iki tespiti arasındaki farkın ne olduğunu anlayana kadar, Fermilab’daki g-2’nin yeni fizik keşfedip keşfetmediğinden emin olamayacağız.”

Biz teorik fizikçilerin bu konuyu çözmesini beklerken deneycilerin boş boş oturduğunu düşünmeyin. Dünya çapında müonik fiziği araştırmaya devam edecek deneyler var. Fermilab’da, Mu2eMüondan elektrona dönüşüm deneyi, bu parçacıklar için standart model tahminini farklı bir şekilde test etmeyi amaçlıyor.

Atılım Ödülü, işbirliğinin üyeleri arasında paylaştırılmak üzere 3 milyon dolar ödül veriyor. Hem Polly hem de Hertzog, ödülün bu çığır açıcı deneyin kolektif ve uluslararası doğasının tanınmasının ne kadar iyi olduğunu vurguladı.

Hertzog, IFLScience’a şöyle konuştu: “Dünyanın her yerinden yüzlerce insanın enerjilerini ve eğitimlerini, en yüksek düzeyde hassasiyetle tek ve tek bir sonuç üretmek üzere kolektif olarak çalışmaya odaklayabildiklerini ve bu sonucun içinde yaşadığımız atom altı dünyayı anlamada derin bir etkiye sahip olduğunu hayal etmek oldukça etkileyici.” “Onlar, kalplerinde, işi doğru yapmanın önemini anladılar.”

Polly, “Çığır Açan Ödül Vakfı’nın bizi tanıması çok memnuniyet verici, çünkü bu, tam olarak zaman içindeki bu anlık görüntüdeki teorik yoruma bakılmaksızın, bu deneyin güzelliğinin gerçekten tanınmasıdır” diye tekrarladı.

Bu yıl vakıf, her biri 3 milyon dolar değerinde olan altı Çığır Açan Ödül’ün yanı sıra, 100.000 ABD Doları değerindeki altı Yeni Ufuklar Ödülünü paylaşan 15 kariyerinin başındaki fizikçi ve matematikçiyi ödüllendirdi. Üç adet 50.000 Dolar değerindeki Maryam Mirzakhani Yeni Sınırlar Ödülü, doktorasını yakın zamanda tamamlayan üç kadın matematikçiye verildi.