اندازه گیری های اخیر میون Fermilab نشان دهنده وجود ترک هایی در مدل استاندارد است


حلقه ذخیره ذرات Muon g-2 ، اکنون در Fermilab نگهداری می شود.
بزرگنمایی / حلقه ذخیره ذرات Muon g-2 ، اکنون در Fermilab نگهداری می شود.

سیندی آرنولد / فرمیلاب

آزمایش Muon g-2 (با تلفظ “منهای دو”) برای جستجوی نکات تحریک کننده فیزیک فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات طراحی شده است. این کار با اندازه گیری میدان مغناطیسی (همچنین به عنوان گشتاور مغناطیسی شناخته می شود) تولید شده توسط یک ذره زیر اتمی معروف به میون انجام می شود. در اوایل سال 2001 ، چرخه قبلی آزمایش در آزمایشگاه ملی بروخاون اختلاف اندکی پیدا کرد که اشاره به فیزیک احتمالی جدید داشت ، اما این نتیجه بحث برانگیز به آستانه حیاتی مورد نیاز برای تشخیص نرسید.

اکنون فیزیکدانان فرمیلاب تجزیه و تحلیل اولیه خود را در مورد داده های آزمایش به روز شده Muon g-2 به اتمام رسانده اند که “توافق عالی” با مغایرت ثبت شده توسط بروخاون را نشان می دهد. نتایج امروز در مقاله جدیدی که در مجله Physical Review Letters منتشر شده اعلام شد.

همانطور که در ناوتیلوس در سال 2013 نوشتم ، قبل از کشف میون در 1936 ، فیزیکدانان فکر می کردند مدل فیزیک ذرات آنها تقریباً کامل است. سپس کارل اندرسون و ست ندرمایر ، فیزیکدانان کالتک ، که به مطالعه پرتوهای کیهانی پرداختند ، مشاهده کردند که برخی ذرات هنگام عبور از یک میدان مغناطیسی مطابق انتظار پیچ نمی خورند. یک سال بعد ، آزمایشات انجام شده با دوربین ابر تأیید کرد که این ذرات واقعاً جدید هستند. این یک تحول غافلگیرکننده بود به گونه ای که دومین ربیع معروف اظهار داشت: “چه کسی دستور داد که؟ “

این کشف منجر به نسخه بسیار پیچیده تری از مدل استاندارد فیزیک ذرات شد ، نه یک ، نه دو بلکه سه نسل ذرات مواد (کوارک ها و لپتون ها) ، سه نوع ذره سیلوبر (بوزون های بعدی) – یک باغ وحش واقعی با ذرات ، ذکر نشده است. ما این نسل های دوم و سوم را اغلب خارج از شتاب دهنده های ذرات نمی بینیم زیرا آنها بسیار سنگین هستند و تقریباً بلافاصله به پسر عموهای نسل اول خود تجزیه می شوند. کشف جایزه نوبل 2012 برای بوزون هیگز آخرین قطعه باغ وحش مدل استاندارد است که به صورت آزمایشی آزمایش می شود.

ولی این آخر ماجرا نیست. مدل استاندارد در مقیاس زیر اتمی به خوبی کار می کند ، اما تقریباً جاذبه را نادیده می گیرد (که بسیار ضعیف است و نمی تواند تأثیر زیادی بر کره کوانتومی بگذارد). فیزیکدانان هنوز نظریه گرانش کوانتوم را برای کار در این چارچوب ابداع نکرده اند ، بنابراین ما اساساً دو کتاب “قاعده” متفاوت برای جهان زیر اتمی و مقیاس کلان داریم: مکانیک کوانتوم و نسبیت عام. این مدل همچنین ماده تاریک را در نظر نمی گیرد. در حالی که فیزیکدانان امیدوار بودند که آزمایش های مداوم در برخورد دهنده بزرگ هادرونی بتواند شواهدی از ذرات و نیروهای عجیب و غریب بیشتری (مانند فوق تقارن) پیدا کند ، اما تا به امروز تنها – در بهترین حالت – اشارات کوچک فیزیک خارج از مدل استاندارد وجود دارد. در اینجا آخرین نتایج میون وجود دارد.

میون (عضوی از طبقه بندی لپتون) پسر عموی سنگین وزن الکترون نسل دوم است – تاو پسر عموی نسل سوم است – و این باعث می شود که میون ها حساسیت ویژه ای نسبت به ذرات مجازی داشته باشند که در خلا کوانتوم ظاهر می شوند و از بین می روند زیرا می توانند به طور خلاصه با این ذرات مجازی ارتباط برقرار کنید. کریس پولی ، فیزیکدان فرمیلاب ، نویسنده سند جدید و سخنران همکاری Muon g-2 ، در سال 2012 به مجله Symmetry گفت: “میون ها خاص هستند.” “آنها به اندازه کافی سبک هستند که به وفور تولید می شوند ، اما به اندازه کافی سنگین هستند که می توانیم از آنها برای آزمایش منحصر به فرد دقت مدل استاندارد استفاده کنیم. “

طرح مدل استاندارد فیزیک ذرات.
بزرگنمایی / طرح مدل استاندارد فیزیک ذرات.

میون دارای یک آهنربا داخلی و همچنین یک حرکت زاویه ای (چرخش) است. “g” (“ثابت تناسب”) به نسبت بین قدرت آهنربا داخلی و سرعت چرخش اشاره دارد. آهنربای میون معمولاً می چرخد ​​تا با محور میدان مغناطیسی هماهنگ شود ، مانند قطب نمای در میدان مغناطیسی زمین. اما به دلیل حرکت زاویه ای میون ، این اتفاق نمی افتد. در عوض ، میدان گشتاور بر روی گشتاور مغناطیسی میون اعمال می کند ، و باعث می شود تا آن را در اطراف محور میدان پیش ببرد. از آنجا که میون می تواند با ذرات مجازی تعامل داشته باشد ، مقدار g با مقدار کلاسیک 2 حدود 0.1٪ متفاوت است – از این رو از نظر فنی به عنوان لحظه مغناطیسی غیر عادی میون شناخته می شود.

هنگامی که پولی هنوز دانشجوی تحصیلات تکمیلی بود ، او در آزمایش اصلی Muon g-2 در بروخاون کار کرد ، که از 1997 تا 2001 انجام شد. این آزمایش برای اندازه گیری دقیق نوسان است که هنگام قرار دادن میون در یک میدان مغناطیسی اتفاق می افتد. در پاسخ به تمام ذرات مجازی که ظاهر می شوند و از بین می روند. اگر مقدار نوسان با پیش بینی دقیق مدل استاندارد مطابقت نداشته باشد ، این نکته مهمی است که ممکن است برخی از فیزیک های جدید نیز در آن گنجانده شود.

نتیجه نهایی ، اعلام شده در سال 2006 ، اختلاف فریبنده ای با مقدار پیش بینی شده مدل استاندارد یافت: لحظه اندازه گیری شده آهنربای میون با مقدار کمتری ارائه شد. حتی جالب تر ، این نتیجه یک اثر 3.7 سیگما محسوب می شود. (قدرت سیگنال با توجه به تعداد انحرافات آماری استاندارد یا سیگما از پس زمینه مورد انتظار در داده ها تعیین می شود ، و یک “رونق” انتشاراتی ایجاد می کند. این متریک اغلب با یک سکه که روی سر آن قرار دارد مقایسه می شود ، چندین پرتاب پشت سر هم. طلا استاندارد برای یک عبارت کشف نتیجه پنج سیگما است ، برای مثال قابل مقایسه با پرتاب 21 سر پشت سر هم ، به عنوان مثال.)

g-2 Muon Magnet اولین حرکت خود را در منطقه صحنه در Costco در بولینگبروک انجام می دهد.
بزرگنمایی / g-2 Muon Magnet اولین حرکت خود را در منطقه صحنه در Costco در بولینگبروک انجام می دهد.

Raidar Khan / Fermilab

با این حال ، نتایج سه سیگما ، در حالی که تلاش می کنند ، تمام وقت در فیزیک ذرات ظاهر می شوند و اغلب وقتی داده های بیشتری به مخلوط اضافه می شوند ، ناپدید می شوند. بنابراین Fermilab آزمایش Muon g-2 را به امید تأیید یا رد این اختلاف یکبار برای همیشه احیا کرد.

از آنجا که ساخت یک آهنربا عظیم حلقه برای ذخیره سازی از ابتدا غیرممکن است ، Fermilab ترجیح داد تا از Brookhaven (و همچنین چندین زیر سیستم) استفاده مجدد کند. جابجایی چنین تجهیزات عظیمی (قطر 50 فوت) نیاز به یک سفر باربری ، تور فلوریدا ، صعود بر روی آبراه تنسی-تومیبی و در نهایت مانور پایین رودخانه ایلینوی به لمونت ، ایلینوی دارد. سپس حلقه ذخیره سازی به یک کامیون مخصوص طراحی شده منتقل شد تا آخرین سفر خود را به Fermilab انجام دهد.

شتاب دهنده های Fermilab پرتوی پروتون ها را در یک هدف ثابت خرد می کنند و باعث تولید جریانی از ذرات زیر اتمی می شوند. برخی از آنها پیاده هستند که با چرخشهایی که در همان جهت انجام می شوند به سرعت به میونها متلاشی می شوند. آهن ربا سپس این گل صد تومانی های در حال تجزیه را به داخل یک تونل مثلثی هدایت می کند و بعد از اینکه همه گل صد تومانی ها از هم پاشیدند ، میون های حاصل به حلقه ذخیره سازی عظیم خورانده می شوند. میون ها زیاد دوام نمی آورند. در حالی که در حلقه ذخیره سازی گردش می کنند ، می توانند حدود 64 میکروثانیه دوام بیاورند – به اندازه کافی طولانی که به فیزیکدانان اجازه می دهد اندازه گیری دقیق انجام دهند.

همه این میون ها با سرعتی که به سرعت نور نزدیک می شوند به دور حلقه می چرخند و در نهایت به نوترینوها و پوزیترون ها تجزیه می شوند. نوترینوها (همچنین به عنوان ذرات شبح نیز شناخته می شوند) بندرت با هر چیزی تعامل دارند ، بنابراین شناسایی نمی شوند. اما پوزیترون ها قابل تشخیص هستند. و همه آنها به هر جهتی که آهنرباهای داخلی میونها هدف قرار گرفته اند حرکت خواهند کرد ، و به فیزیکدانان ابزاری برای اندازه گیری دقیقاً میزان قبل از مغناطیسی مغناطیسی می دهند.

حلقه Muon g-2 در اتاق ردیاب خود در میان مخفف لوازم الکترونیکی ، پرتو میون و سایر تجهیزات قرار دارد.  این آزمایش امتیاز (یا نوسان) میون ها را هنگام عبور از یک میدان مغناطیسی بررسی می کند.
بزرگنمایی / حلقه Muon g-2 در اتاق ردیاب خود در میان مخفف لوازم الکترونیکی ، پرتو میون و سایر تجهیزات قرار دارد. این آزمایش امتیاز (یا نوسان) میون ها را هنگام عبور از یک میدان مغناطیسی بررسی می کند.

Raidar Khan / Fermilab

این آخرین نتایج Fermilab از داده های جمع آوری شده در سال اول آزمایش Muon g-2 بدست آمده است ، بنابراین تحمل تقریباً در حال حاضر همان اندازه گیری قبلی Brookhaven است. با این حال ، این دو نتیجه کاملاً با هم منطبق هستند و در کنار هم ، آنها اهمیت آماری را به 4.2 سیگما افزایش می دهند – متعادل سازی دقیقاً در آستانه آستانه مورد نیاز برای تشخیص. این بدان معناست که فقط یک در 40000 احتمال 1 وجود دارد که این به دلیل نوسانات آماری باشد. پولی گفت: “پس از 20 سال از پایان آزمایش بروخاون ، بسیار خوب است که سرانجام این رمز و راز را حل کنیم.”

Fermilab همچنین از حلقه ذخیره سازی Brookhaven استفاده می کند ، البته با پیشرفت های فراوان ، برای دستیابی به یک بهبود چهار برابر در دقت اندازه گیری (دقت 140 قسمت در میلیارد). گام بعدی تلاش برای یافتن تأیید مستقل از آزمایشی است که گشتاور مغناطیسی میون را با روشهای مختلف اندازه گیری می کند – شاید در مجتمع تحقیقاتی شتاب دهنده پروتون ژاپن (J-PARC) ، که همزمان سنکرونر دوچرخه سواری سریع (RCS) آن نیز می تواند دارای پرتوهای پروتون قدرتمند طراحی شده برای ایجاد پرتوهای میون برای آزمایش ذرات.

برای کسانی که مشتاق جزئیات فنی سخت هستند ، دو مقاله همراه با همکاری وجود دارد. یکی از آنها در Physical Review A منتشر شده است که بر نظارت فشرده ، کالیبراسیون و توزین که برای امکان اندازه گیری دقیق چنین کاری انجام شده است ، تمرکز دارد. مورد دوم ، منتشر شده در Physical Review D ، جزئیات فنی محاسبات انجام شده برای استخراج اندازه گیری از چهار مجموعه داده مختلف را ارائه می دهد.

مفهوم هنرمند از رمز و راز لحظه مغناطیسی میون.  برآورد جدیدی از قدرت میدان مغناطیسی میون فاصله بین تئوری و اندازه گیری های آزمایشی را کاهش داده و آن را با مدل استاندارد فیزیک ذرات مطابقت داده است.
بزرگنمایی / مفهوم هنرمند از رمز و راز لحظه مغناطیسی میون. برآورد جدیدی از قدرت میدان مغناطیسی میون فاصله بین تئوری و اندازه گیری های آزمایشی را کاهش می دهد و آن را با مدل استاندارد فیزیک ذرات مطابقت می دهد.

دنی زمبا ، پن

پیام فرمیلب از قبل وجود دارد سردرگمی نظریه پردازان ذرات تا این یافته ها را در مدل های خود بگنجانند. بر اساس مقاله جدید منتشر شده در ژورنال Nature حداقل یک گروه از نظریه پردازان تخمین جدیدی از لحظه مغناطیسی میون را محاسبه کرده اند تا آن را با مدل استاندارد هماهنگ کند. این امر باعث می شود که لحظه مغناطیسی میون کمتر مرموز باشد ، زیرا دیگر نیازی به فیزیک جدید برای توضیح اندازه گیری های بروخاون و فرمیلاب نیست.

زولتان فودور ، نویسنده همکار ، گفت: “اگر محاسبات ما درست باشد و اندازه گیری های جدید تاریخچه را تغییر ندهند ، به نظر نمی رسد برای توضیح لحظه مغناطیسی میون به فیزیک جدیدی احتیاج داریم – این از قوانین مدل استاندارد پیروی می کند” فیزیکدان در دانشگاه ایالتی پن. “اگرچه چشم انداز فیزیک جدید همیشه وسوسه انگیز است ، اما مشاهده این نظریه و آزمایش هم تراز است. این عمق درک ما را نشان می دهد و امکانات جدیدی را برای تحقیق باز می کند. یافته های ما بدان معنی است که بین نتایج نظری قبلی تنش وجود دارد و جدید ما. این اختلاف باید درک شود. ما چندین سال هیجان را در پیش داریم. “

DOI: نامه های بررسی فیزیکی ، 2021. 10.1103 / PhysRevLett.126.141801 (برای DOI).

DOI: Nature ، 2021. 10.1038 / s41586-021-03418-1 (برای DOI).




منبع: khabar-tak.ir

دیدگاهتان را بنویسید

Comment
Name*
Mail*
Website*