كيف يمكن للمكان العشري أن يعيد تعريف الفيزياء

حدد الباحثون أصل التناقضات في التنبؤات الحديثة للعزم المغناطيسي للميون. يمكن أن تساهم النتائج التي توصلوا إليها في دراسة المادة المظلمة والجوانب الأخرى للفيزياء الجديدة.

العزم المغناطيسي هو خاصية جوهرية للجسيم ذي الدوران، تنشأ من التفاعل بين الجسيم والمغناطيس أو أي جسم آخر له مجال مغناطيسي. مثل الكتلة والشحنة الكهربائية، يعد العزم المغناطيسي أحد المقادير الأساسية في الفيزياء. هناك فرق بين القيمة النظرية للعزم المغناطيسي للميون، وهو جسيم ينتمي إلى نفس فئة الإلكترون، والقيم التي تم الحصول عليها في تجارب الطاقة العالية التي أجريت في مسرعات الجسيمات.

يظهر الفرق فقط في المكان العشري الثامن، لكن العلماء اهتموا به منذ اكتشافه عام 1948. وهو ليس تفصيلا: بل يمكن أن يشير إلى ما إذا كان الميون يتفاعل مع جسيمات المادة المظلمة أو بوزونات هيغز الأخرى، أو حتى ما إذا كان غير معروف. وتشارك القوات في هذه العملية.

التناقضات في العزم المغناطيسي لميون

القيمة النظرية للعزم المغناطيسي للميون، الممثلة بالحرف g، يتم الحصول عليها من خلال معادلة ديراك – التي صاغها الفيزيائي الإنجليزي والحائز على جائزة نوبل عام 1933 باولو ديراك (1902-1984)، أحد مؤسسي ميكانيكا الكم والديناميكا الكهربائية الكمومية – مثل 2. ومع ذلك، فقد أظهرت التجارب أن g ليس بالضبط 2، وهناك قدر كبير من الاهتمام بفهم “g-2″، أي الفرق بين القيمة التجريبية والقيمة التي تنبأت بها معادلة ديراك. أفضل قيمة تجريبية متاحة حاليًا، تم الحصول عليها بدرجة مذهلة من الدقة في مختبر فيرمي الوطني للتسريع (فيرميلاب) في الولايات المتحدة وتم الإعلان عنها في أغسطس 2023، هي 2.00116592059، مع نطاق عدم يقين زائد أو ناقص 0.00000000022.

“أصبح التحديد الدقيق للعزم المغناطيسي للميون قضية رئيسية في فيزياء الجسيمات لأن التحقيق في هذه الفجوة بين البيانات التجريبية والتنبؤ النظري يمكن أن يوفر معلومات يمكن أن تؤدي إلى اكتشاف بعض التأثيرات الجديدة المذهلة،” عالم الفيزياء ديوغو بويتو، وقال أستاذ في معهد ساو كارلوس للفيزياء بجامعة ساو باولو (IFSC-USP) لوكالة FAPESP.

تم نشر مقال حول هذا الموضوع بقلم بويتو ومعاونيه في المجلة رسائل المراجعة البدنية.

رؤى جديدة من البحوث

“تم عرض نتائجنا في حدثين دوليين مهمين. قال بويتو: “أولاً بواسطتي خلال ورشة عمل في مدريد بإسبانيا، وبعد ذلك بواسطة زميلي مارتن جولترمان من جامعة ولاية سان فرانسيسكو في اجتماع في برن بسويسرا”.

تحدد هذه النتائج أصل التناقض بين الطريقتين المستخدمتين في وضع التنبؤات الحالية لـ muon g-2 وتشير إلى أصل التناقض. “توجد حاليًا طريقتان لتحديد المكون الأساسي لـ g-2. الأول يعتمد على بيانات تجريبية، والثاني على المحاكاة الحاسوبية للديناميكية اللونية الكمية، أو QCD، وهي النظرية التي تدرس التفاعلات القوية بين الكواركات. تؤدي هاتان الطريقتان إلى نتائج مختلفة تمامًا، وهي مشكلة كبيرة. وأوضح أنه حتى يتم حل هذه المشكلة، لا يمكننا التحقيق في مساهمات الجسيمات الغريبة المحتملة مثل بوزونات هيغز الجديدة أو المادة المظلمة، على سبيل المثال، في g-2.

نجحت الدراسة في تفسير هذا التناقض، ولكن لفهمه نحتاج إلى الرجوع بضع خطوات إلى الوراء والبدء من جديد بوصف أكثر تفصيلاً إلى حد ما للميون.

حلقة تخزين الميون في فيرميلاب. الائتمان: ريدار هان، فيرميلاب

الميون هو جسيم ينتمي إلى فئة اللبتونات، كما هو الحال مع الإلكترون، ولكن لديه كتلة أكبر بكثير. لهذا السبب، فهو غير مستقر ولا يبقى إلا لفترة قصيرة جدًا في سياق عالي الطاقة. عندما تتفاعل الميونات مع بعضها البعض في وجود مجال مغناطيسي، فإنها تتحلل وتتجمع مرة أخرى كسحابة من الجسيمات الأخرى، مثل الإلكترونات والبوزيترونات وبوزونات W وZ وبوزونات هيغز والفوتونات. ولذلك، في التجارب، تكون الميونات دائمًا مصحوبة بالعديد من الجسيمات الافتراضية الأخرى. مساهماتهم تجعل العزم المغناطيسي الفعلي المقاس في التجارب أكبر من العزم المغناطيسي النظري المحسوب بواسطة معادلة ديراك، والذي يساوي 2.

“للحصول على الفرق [g-2]، فمن الضروري أن نأخذ في الاعتبار كل هذه المساهمات – سواء تلك التي تنبأ بها QCD [in the Standard Model of particle physics] وغيرها أصغر حجمًا ولكنها تظهر في قياسات تجريبية عالية الدقة. وقال بويتو: “إننا نعرف العديد من هذه المساهمات جيدًا، ولكن ليس جميعها”.

لا يمكن حساب تأثيرات التفاعل القوي QCD من الناحية النظرية وحدها، حيث أنها غير عملية في بعض أنظمة الطاقة، لذلك هناك احتمالان. وقد تم استخدام أحدهما لبعض الوقت، وهو يستلزم اللجوء إلى البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها من تصادمات الإلكترون والبوزترون، والتي تخلق جسيمات أخرى مكونة من الكواركات. والآخر هو QCD الشبكي، الذي أصبح تنافسيًا فقط في العقد الحالي ويستلزم محاكاة العملية النظرية في الكمبيوتر العملاق.

“المشكلة الرئيسية في التنبؤ بـ muon g-2 في الوقت الحالي هي أن النتيجة التي تم الحصول عليها باستخدام بيانات من تصادمات الإلكترون والبوزترون لا تتفق مع النتيجة التجريبية الإجمالية، في حين أن النتائج المستندة إلى QCD الشبكية تفعل ذلك. وقال بويتو: “لم يكن أحد متأكداً من السبب، وتوضح دراستنا جزءاً من هذا اللغز”.

أجرى هو وزملاؤه أبحاثهم على وجه التحديد لحل هذه المشكلة. “يورد المقال نتائج عدد من الدراسات التي طورنا فيها طريقة جديدة لمقارنة نتائج محاكاة QCD الشبكية مع النتائج المستندة إلى البيانات التجريبية. وقال: “لقد أظهرنا أنه من الممكن استخلاص مساهمات البيانات المحسوبة في الشبكة بدقة كبيرة – مساهمات ما يسمى بمخططات فاينمان المتصلة”.

فاز عالم الفيزياء النظرية الأمريكي ريتشارد فاينمان (1918-1988) بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1965 (مع جوليان شوينغر وشينشيرو توموناغا) لعمله الأساسي في الديناميكا الكهربائية الكمومية وفيزياء الجسيمات الأولية. مخططات فاينمان، التي تم إنشاؤها في عام 1948، هي تمثيلات رسومية للتعبيرات الرياضية التي تصف تفاعل هذه الجسيمات وتستخدم لتبسيط الحسابات المعنية.

“في هذه الدراسة، حصلنا على مساهمات مخططات فاينمان المتصلة فيما يسمى “نافذة الطاقة المتوسطة” بدقة كبيرة لأول مرة. لدينا اليوم ثماني نتائج لهذه المساهمات، تم الحصول عليها عن طريق محاكاة QCD الشبكية، وجميعها متفقة إلى حد كبير. علاوة على ذلك، أظهرنا أن النتائج المبنية على بيانات التفاعل بين الإلكترون والبوزيترون لا تتفق مع هذه النتائج الثمانية من عمليات المحاكاة.

وقد مكن هذا الباحثين من تحديد مصدر المشكلة والتفكير في الحلول الممكنة. وقال: “أصبح من الواضح أنه إذا تم التقليل من البيانات التجريبية للقناة ثنائية البيون لسبب ما، فقد يكون هذا هو سبب التناقض”. البيونات هي ميزونات، وهي جسيمات مكونة من كوارك وكوارك مضاد تنتج في تصادمات عالية الطاقة.

في الواقع، البيانات الجديدة (لا تزال قيد المراجعة من قبل النظراء) من تجربة CMD-3 يبدو أن هذه الدراسة التي أجريت في جامعة ولاية نوفوسيبيرسك في روسيا تظهر أن أقدم بيانات قناة ثنائي بيون ربما تم الاستهانة بها لسبب ما.

المرجع: “التحديد المبني على البيانات للمكون المتصل بالكواركات الخفيفة لمساهمة النافذة المتوسطة في الميون ز−2“بقلم جينيسا بينتون، وديوغو بويتو، ومارتن جولترمان، وألكسندر كيشافارزي، وكيم مالتمان، وسانتياجو بيريس، 21 ديسمبر 2023، رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

كانت مشاركة بويتو في الدراسة جزءًا من مشروعه “اختبار النموذج القياسي: الدقة QCD وmuon g-2″، حيث منحته FAPESP منحة المحقق الشاب للمرحلة الثانية.