Το μυστήριο με την ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου συνεχίζεται

Το μιόνιο (συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα μ – αγγλική ονομασία muon) είναι στοιχειώδες σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο, με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο -1 και ιδιοστροφορμή (spin) 1⁄2. Μαζί με το ηλεκτρόνιο, το ταυ λεπτόνιο, και τα τρία νετρίνα, είναι ταξινομημένο ως λεπτόνιο. Είναι ένα ασταθές υποατομικό σωματίδιο και έχει τη δεύτερη πιο μακροχρόνια μέση διάρκεια ζωής (2.2 µs), μετά από το νετρόνιο (~15 λ.).
Ο συνήθης τρόπος διάσπασής του είναι:
Όπως όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, το μιόνιο έχει ένα αντίστοιχο αντισωμάτιο αντίθετου φορτίου αλλά ίσης μάζας και spin: το αντιμιόνιο (επίσης αποκαλούμενο θετικό μιόνιο). Τα μιόνια συμβολίζονται με μ⁻ και τα αντιμιόνια με μ⁺.
Μια από τις ιδιότητες του μιονίου είναι ότι διαθέτει μαγνητική ροπή.

Η ανώμαλη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου και του μιονίου

Η μαγνητική ροπή ενός μαγνήτη είναι το μέγεθος που προσδιορίζει την ροπή που δέχεται ο μαγνήτης όταν τοποθετείται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο , . Ένας βρόχος ηλεκτρικού ρεύματος, ένας ραβδόμορφος μαγνήτης, ένα ηλεκτρόνιο, ένα μόριο, ο πλανήτης Γη, έχουν μαγνητική ροπή.

Για το ηλεκτρόνιο η μαγνητική ροπή είναι ανάλογη του σπιν : .  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:  , 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. Η πειραματική τιμή της ανώμαλης μαγνητικής ροπής του ηλεκτρονίου α_e συμφωνεί με την θεωρητική κατά 1:10⁹. Πρόκειται για έναν θρίαμβο της θεωρητικής φυσικής.

Ενώ λοιπόν η πειραματική τιμή της μαγνητικής ροπής του ηλεκτρονίου συμφωνεί εξαιρετικά με την θεωρία, δεν συμβαίνει το ίδιο για το μιόνιο που διαθέτει πολύ μεγαλύτερη μάζα από το ηλεκτρόνιο. 
Η ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου α_μ υπολογίζεται με παρόμοιο τρόπο, αλλά εμφανίζονται κάποιες διαφοροποιήσεις. Περιέχει τρεις όρους:

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.

Οι φυσικοί θεωρούν ότι η διαφορά μεταξύ θεωρητικής και πειραματικής τιμής της ανώμαλης μαγνητικής ροπής των μιονίων αναδεικνύει τις ρωγμές του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων.

Μια ακριβέστερη πειραματική τιμή της ανώμαλης ροπής του μιονίου

Οι επιστήμονες του πειράματος Muon g-2 στο Fermilab τo 2021 είχαν ανακοινώσει την μέτρηση του α_μ που έδειχνε μια διαφορά με τη θεωρητική στα 4,2σ, λίγο μικρότερη από τα 5σ που απαιτείται ώστε να ισχυριστεί κάποιος νέα ανακάλυψη.
Τώρα βασιζόμενοι σε περισσότερα πειραματικά δεδομένα πέτυχαν την πιο ακριβή μέτρηση μέχρι σήμερα της ανώμαλης μαγνητικής ροπής του μιονίου. Η νέα τιμή επιβεβαιώνει το αποτέλεσμα του 2021 με υπερδιπλάσια ακρίβεια, οξύνοντας κι άλλο την διαφορά μεταξύ θεωρίας και πειράματος.

Η πρόσφατη ανάλυση των ανανεωμένων πειραματικών δεδομένων υποβλήθηκε προς δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review Letters με τίτλο ‘Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.20 ppm‘.
Εκεί δίνεται η νέα τιμή για την ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου:
α_µ = 116 592 057(25)×10⁻¹¹ (0.21 ppm)(*). Συνδυάζοντας αυτό το αποτέλεσμα με τα προηγούμενα αποτέλεματά τους πήραν την τιμή:
α_µ(FNAL)=116 592 055(24)×10⁻¹¹ (0.20 ppm).
Έτσι, η νέα παγκόσμια μέση πειραματική τιμή που προκύπτει είναι:
α_µ(Exp) = 116 592 059(22)×10⁻¹¹ (0.19 ppm), η οποία έχει διπλάσια ακρίβεια σε σχέση με την παλαιότερη τιμή.
Η θεωρητική τιμή που προκύπτει από Καθιερωμένο Πρότυπο είναι:
α_μ(SM)=116 591 810(43)×10⁻¹¹

 Με αυτή τη μέτρηση, η συνεργασία Muon g-2 έχει ήδη φτάσει στον στόχο της μείωσης ενός συγκεκριμένου είδους σφάλματος: το σφάλμα που προκαλείται από πειραματικές ατέλειες των πειραματικών διατάξεων, το λεγόμενο συστηματικό σφάλμα. Ενώ η μείωση του συνολικού συστηματικού σφάλματος έχει ήδη ξεπεράσει τον στόχο σχεδιασμού, απομένει το στατιστικό σφάλμα που καθορίζεται από τον όγκο των δεδομένων που αναλύονται. Το αποτέλεσμα που ανακοινώθηκε χτες προέρχεται από την ανάλυση πολύ περισότερων δεδομένων. Το πείραμα Fermilab θα φτάσει στην οριστική μείωση του στατιστικού σφάλματος μόλις οι επιστήμονες ενσωματώσουν το σύνολο των δεδομένων στην ανάλυσή τους, κάτι που αναμένεται να ολοκληρωθεί τα επόμενα δύο χρόνια.

Η απόλυτη αναμέτρηση μεταξύ της θεωρίας του Καθιερωμένου Προτύπου και του πειράματος θα γίνει στο τέλος του 2025, όταν οι πειραματικοί φυσικοί θα έχουν μια νέα και πιο βελτιωμένη μέτρηση της ανώμαλης μαγνητικής ροπής του μιονίου.

(*) ppm=parts-per-million=10⁻⁶

Το βίντεο που ακολουθεί μας δίνει πρόσθετες πληροφορίες για τα μιόνια και το νέο αποτέλεσμα του πειράματος Muon g-2:

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:
1. ‘Muon g-2 doubles down with latest measurement, explores uncharted territory in search of new physics’ – https://news.fnal.gov/2023/08/muon-g-2-doubles-down-with-latest-measurement/
2. ‘Muon Mystery Deepens with Latest Measurements’ – https://www.scientificamerican.com/article/muon-mystery-deepens-with-latest-measurements/

Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: ΜΙΟΝΙΟ, PHYSICS