Unormalt magnetisk øyeblikk av myonen – en ny gåte kommer til syne

Det uregelmessige magnetiske momentet til myonen er en avgjørende parameter i partikkelfysikk da det tillater presisjonstester av den etablerte standardmodellen. En ny måling av denne mengden i fjor forårsaket noe av en furor da den bekreftet et betydelig avvik fra den teoretiske forutsigelsen – med andre ord, det unormale magnetiske øyeblikket er større enn forventet.

Fysikere beregner den teoretiske prediksjonen på grunnlag av den gjeldende standardmodellen for partikkelfysikk. I 2020 produserte Muon g-2 Theory Initiative – en gruppe på 130 fysikere med en sterk representasjon fra Mainz – et konsensuelt estimat som siden har blitt akseptert som referanseverdi. Siden den gang har flere team – inkludert det til prof. Hartmut Wittig fra PRISMA+ Cluster of Excellence ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) – publisert nye resultater for bidraget fra sterk interaksjon ved hjelp av numeriske simuleringer av gitter QCD, som antyder at den teoretiske prediksjonen beveger seg mot den eksperimentelle verdien.

“Selv om det skulle vise seg at avviket mellom de teoretiske og eksperimentelle resultatene faktisk er mindre enn vi trodde, vil dette fortsatt representere en stor divergens,” forklarer Hartmut Wittig. “Men det er fortsatt viktig for oss å først forstå hvorfor bruken av forskjellige teoretiske metoder fører til så forskjellige resultater.”

Et nytt mysterium som krever en løsning

Det unormale magnetiske øyeblikket mottar bidrag fra alle grunnleggende interaksjoner bortsett fra tyngdekraften. Den sterke vekselvirkningen eller den sterke kjernekraften som virker mellom de elementære partiklene av materie kjent som kvarker og som formidles ved utveksling av gluoner, er spesielt viktig når det gjelder testing av standardmodellen.

Nyere beregninger har fokusert på det såkalte hadroniske vakuumpolarisasjonsbidraget (HVP) til det magnetiske muonmomentet, der kvark-antikvark-par kontinuerlig genereres fra et vakuum i et brøkdel av et sekund før de forsvinner igjen.

“Dette er en ekstremt kompleks prosess å håndtere, og usikkerhetsnivået til den teoretiske prediksjonen bestemmes dermed i stor grad av effekten av den sterke interaksjonen,” legger Wittig til. Siden standard beregningsteknikker enten ikke kan brukes i denne sammenhengen eller til dags dato ikke har vært presise nok, ble HVP-bidraget i det nåværende konsensuspapiret bestemt ved å bruke eksperimentelle data ved forskjellige partikkelakseleratorer.

Det ville være ideelt hvis HVP-bidraget kunne beregnes uten å stole på eksperimentelle data, ved å bruke Quantum Chromodynamikk (QCD) alene. QCD er den grunnleggende teorien om den sterke interaksjonen mellom kvarker mediert av gluoner. QCD er imidlertid en ekstremt vanskelig teori å håndtere i praksis. Mainz-teamet bruker en teknikk kjent som gitterfeltteori for dette formålet.

Her er kvarkene og gluonene fordelt over et diskret rutenett av punkter som representerer rom-tid, veldig likt atomer i en krystall. HVP-bidraget til unormalt magnetisk øyeblikk av myonen kan deretter bestemmes ved hjelp av superdatamaskiner.

«Inntil for bare noen få år siden var de store tekniske utfordringene ved en slik beregning gjorde det umulig å bestemme HVP-bidraget med nødvendig nøyaktighet ved bruk av gitter QCD. I mellomtiden har vi avgrenset metoden slik at presisjonen i resultatet kan matche den tradisjonelle tilnærmingen som går ut på å bruke eksperimentelle data“, påpeker Wittig.

I papiret som nå er tilgjengelig på preprint-serveren arXiv, presenterer Wittig og teamet hans resultatene av beregningen av en brøkdel av HVP som er spesielt egnet for å teste konsistensen av resultatene fra ulike gitterberegninger og sammenligne disse med estimatene basert på de tradisjonelle metode. “Siden vårt resultat er like presist, kan du si at gitter-QCD-beregningen har bestått sin ilddåp, som i seg selv er en stor suksess. Dessuten blir det stadig tydeligere at våre QCD-baserte beregninger faktisk samsvarer med de nylig presenterte resultater fra andre lag.”

Wittig vender nå oppmerksomheten tilbake til magnetisk moment av myonen: “Våre nye gitterberegninger gjør det mer tydelig at teoretisk prediksjon verdien vil sannsynligvis bevege seg nærmere det målte resultatet. Dette har skapt en del begeistring blant mine kolleger. Vi fokuserer nå på problemet med hvorfor ulike metoder som brukes for å evaluere HVP-bidraget skal gi avvikende resultater. Og de av våre kolleger som kanskje er skuffet over at avviket med Standardmodellen krymper, kan trøste seg med at vår nye beregning ikke har fått avviket mellom teori og eksperiment til å forsvinne helt. Uansett hvordan du ser det, er det ingen tvil om at det er et avvik som krever forklaring. Det er fortsatt mye vi må forstå.”

---

---