Η βαρύτητα λύνει το πρόβλημα της μαγνητικής ροπής του μιονίου;

Posted on 04/02/2018

0


Πριν από μερικές μέρες  εμφανίστηκαν τρεις προδημοσιεύσεις φυσικών από την Ιαπωνία (π.χ. https://arxiv.org/abs/1801.10244) σύμφωνα με τις οποίες η εξαλείφθηκε η διαφορά μεταξύ θεωρίας και πειράματος όσον αφορά την ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου. Ο θεωρητικός υπολογισμός της μαγνητικής ροπής του μιονίου συγκλίνει προς την πειραματική, αν ληφθούν υπόψη οι διορθώσεις που οφείλονται στην γήινη βαρύτητα(;).
To μιόνιο (μ) ανήκει στην κατηγορία των λεπτονίων και είναι το «παχύσαρκο» ξαδερφάκι του ηλεκτρονίου. Έχει το ίδιο σπιν (½) και το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο με το ηλεκτρόνιο. Όμως, η μάζα του είναι πολύ μεγαλύτερη, 200 φορές η μάζα του ηλεκτρονίου. Ενώ το ηλεκτρόνιο είναι «αιώνιο» αφού δεν υπάρχει τίποτα ελαφρύτερο για να διασπαστεί, το μιόνιο έχει μέσο χρόνο ζωής 2,2 μs και ο συνήθης τρόπος διάσπασής του είναι:

\mu^{-} \rightarrow e^{-} + \bar{\nu}_{e} + \nu_{\mu}

Η ανώμαλη μαγνητική ροπή

Η μαγνητική ροπή \vec{\mu}  ενός μαγνήτη είναι το μέγεθος που προσδιορίζει την ροπή \vec{\tau}  που δέχεται ο μαγνήτης όταν τοποθετείται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο \vec{B}  ,

\vec{\tau}=\vec{\mu}\times\vec{B}  .

Ένας βρόχος ηλεκτρικού ρεύματος, ένας ραβδόμορφος μαγνήτης, ένα ηλεκτρόνιο, ένα μόριο, ένας πλανήτης, έχουν μαγνητική ροπή. Για το ηλεκτρόνιο η μαγνητική ροπή είναι ανάλογη του σπιν \vec{S} :

\vec{\mu} =g\frac{e}{2m}\vec{S}

Mια πρώτη προσέγγιση της εξίσωσης Dirac δίνει g=−2, μια τιμή που θεωρείται ως κλασικό αποτέλεσμα. Αυτή η κλασική τιμή διαφέρει από την παρατηρούμενη τιμή κατά ένα μικρό κλάσμα:

a_{e}=\frac{g-2}{2}

μια διαφορά που αναφέρεται ως ανώμαλη μαγνητική ροπή.

Η ανώμαλη μαγνητική ροπή οφείλεται στην αλληλεπίδραση με εικονικά σωματίδια, σωματίδια που εμφανίζονται για μια στιγμή και στη συνέχεια εξαφανίζονται. Τα εικονικά σωματίδια σύμφωνα με την αρχή της απροσδιοριστίας μπορούν να εμφανιστούν στον πραγματικό κόσμο για πολύ μικρό χρονικό διάστημα χωρίς να παραβιάζονται οι αρχές της φυσικής.

Οι φυσικοί υπολογίζουν την συνεισφορά στην ανώμαλη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου από τα εικονικά σωματίδια χρησιμοποιώντας την Κβαντική Ηλεκτροδυναμική και τα διαγράμματα Feynman:  a_{e} =0.001 159 652 181 643 (764) .
H τωρινή πειραματική τιμή είναι: a_{e} =0.001 159 652 180 73 (28) , που συμφωνεί με την θεωρητική κατά 1:109. Πρόκειται για έναν θρίαμβο της θεωρητικής φυσικής.

Η διαφορά μεταξύ των παραγόντων g του ηλεκτρονίου και του μιονίου οφείλεται στην διαφορά των μαζών τους. Η ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου αμ υπολογίζεται με παρόμοιο τρόπο, αλλά εμφανίζονται κάποιες διαφοροποιήσεις.

Περιέχει τρεις όρους:
a_{\mu}^{SM} = a_{\mu}^{QED} +  a_{\mu}^{EW} +  a_{\mu}^{Hadron} =0.001 165 918 04 (51) .
Oι πρώτοι δύο όροι αντιστοιχούν στις αλληλεπιδράσεις με φωτόνια, λεπτόνια και τα μποζόνια W, Ζ και Higgs και μπορούν να υπολογιστούν από την θεωρία. Ο τρίτος όρος αντιστοιχεί στις αλληλεπιδράσεις με αδρόνια (που δεν είναι σημαντικές για τα ηλεκτρόνια) και δεν μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μόνο τη καθιερωμένη θεωρία. Χρειάζονται επιπλέον δεδομένα που προκύπτουν από πειράματα. Έτσι η ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου προσφέρεται για τον έλεγχο θεωριών πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου, όπως η Υπερσυμμετρία.

Το πείραμα E821, στο εργαστήριο Brookhaven, μέτρησε την ανώμαλη ροπή του μιονίου βρίσκοντας μια τιμή a_{\mu} =0.001 165 920 9 (6) . Ενώ λοιπόν η μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου συμφωνεί εξαιρετικά με την θεωρητική, αυτό δεν συμβαίνει με το μιόνιο που διαθέτει πολύ μεγαλύτερη μάζα από το ηλεκτρόνιο.

Οι φυσικοί θεωρούν ότι η διαφορά στην ανώμαλη μαγνητική ροπή των μιονίων αναδεικνύει τις ρωγμές του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων.

Έτσι, σύμφωνα με τις προαναφερθείσες εργασίες των Ιαπώνων φυσικών η διαφορά απαλείφεται αν στους υπολογισμούς ληφθεί υπόψη η καμπύλωση του χωροχρόνου που προκαλεί το βαρυτικό πεδίο της Γης. Όμως, κυκλοφορούν ήδη φήμες, https://twitter.com/dorigo/status/959411359309017088, πως οι υπολογισμοί αυτοί είναι μάλλον λανθασμένοι. Ίδωμεν.

(νεώτερη ενημέρωση)
Ο Matt Visser στο άρθρο του με τίτλο «Post-Newtonian particle physics in
curved spacetime
» υποστηρίζει ότι οι δημοσιεύσεις των Ιαπώνων φυσικών είναι λανθασμένες αφού δεν εφαρμόζουν σωστά αρχή της ισοδυναμίας γενικής σχετικότητας.

πηγές: http://physicsworld.com/cws/article/news/2018/feb/02/has-the-muon-magnetic-moment-mystery-been-solvedhttps://en.wikipedia.org/wiki/Anomalous_magnetic_dipole_moment