Minden korábbinál precízebb mérések megerősítik, hogy az elektronokhoz hasonló elemi részecskék, a müonok furcsán viselkednek, ami megváltoztathatja a részecskefizika ismert alapvetéseit. A Chicagóhoz közeli Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium (Fermilab) Müon g-2 kísérletén dolgozó kutatók a múlt héten közölték legújabb eredményeiket, amelyekben a két évvel ezelőtt publikáltakhoz képest kétszer jobb mérési pontosságot értek el.

A müon tömege 207-szerese az elektronénak, és instabil, így egy szempillantás alatt, 2,2 mikroszekundum után lebomlik. A részecske mágnesesmomentum-anomáliáját elsőként 1959-ben vizsgálták kutatók az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) gyorsítójában, majd a kísérleteket 20-szor jobb pontossággal az amerikai Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban folytatták 1997 és 2001 között. A 2001-ben publikált brookhaveni eredmények már eltérést mutattak a részecskefizikai standard modell jóslataitól, amit az időközben a Fermilabbe költöztetett kísérlet 2021-ben megerősített. Az új eredmény pontossága „precedens nélküli” – kommentálta a Qubitnek a bejelentés jelentőségét Tóth Bálint, a német Wuppertali Egyetem Elméleti részecskefizikai csoportjának kutatója.

„Jelenleg az elméleti bizonytalanság dominál” – mondta kérdésünkre a felfedezésről László András, a Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske- és Magfizikai Intézetének tudományos főmunkatársa. A Fermilab Müon g-2 kísérletének újonnan közölt eredményei azt árulják el, hogy „mennyire tér el a valóság a standard modell jóslattól, azaz, hogy mennyire igaz a standard modell”. A berendezés, valamint a kísérleti eljárások javításával csökkentett kísérleti bizonytalanság akkor lesz igazán mérvadó, ha az elméleti jóslat is kellően pontos.

Az elemi részecskék sajátperdülettel, vagyis spinnel rendelkeznek, amit a hozzá tartozó vektorral lehet jellemezni. Egy részecske mágneses momentuma azt jellemzi, hogy a spinvektorát mennyire szereti tekerni a mágneses mező – magyarázta a kutató. Ha ezt megfelelő egységekben mérjük, jellemezni lehet egy dimenziótlan számmal, amit „g-faktornak” szokás nevezni. Ennek értéke (g) a relativisztikus kvantummechanika szerint az elektron, a müon és más feles spinű részecskék esetén pontosan kettő. Ezért a fizikusok kényelmi szempontból bevezették a mágneses momentum anomáliának (a) nevezett mennyiséget, amit a kísérlet nevét adó (g-2) kettővel történő osztás ír le.

A Müon g-2 kísérlet során több évnyi beüzemelés és fejlesztés után 2017-ben kezdték meg a méréseket, amik egészen idén júliusig tartottak. A kísérlet lelkét egy 15 méter átmérőjű részecskegyorsító gyűrű adta, amelyben szupravezető mágnesek egy kivételesen egyenletes mágneses teret képeztek. A kutatók a mágnesesmomentum-anomália értékét a gyűrűben keringő müonok bomlásából keletkező részecskék megfigyelésével határozták meg. A 2021-ben publikált analízis az első év adatait, a mostani pedig az első három évnyit összegezte. A teljes 6 évnyi kísérleti periódus eredményei 2025-ben várhatók.

László szerint már az 1950-es évek óta tudni lehet, hogy a részecskék dinamikáját valójában a relativisztikus kvantumtérelmélet írja le, ami korrekciókat ad a mágneses momentum anomália nullának jósolt értékéhez. Ennek az úgynevezett sugárzási korrekciónak az értéke nő a részecske tömegével, így jobban észlelhető, és éppen emiatt érdekes az elektronoknál jóval nehezebb müonokon mérni. A standard modell konkrét jóslatot ad a mágneses momentum anomália sugárzási korrekcióira, és „ha ettől a kísérleti érték eltérést mutat a mérési és a számolási bizonytalanságon túl, az azt jelenti, hogy a standard modell nem írja le ezt a mennyiséget” – mondta a kutató, aki szerint mindez az elméleten túlmutató fizikára utalna.

„Ha a müon (g-2)-nek a részecskefizika standard modellje által megjósolt értékére ilyen pontossággal vagyunk kíváncsiak, akkor már a standard modellben fellelhető mindegyik kölcsönhatás járuléka fontos, azokat a számolásban mind figyelembe kell venni.” – magyarázta a Wuppertali Egyetem kutatója. A legnagyobb járulékot adó elektromágneses kölcsönhatás, valamint a gyenge kölcsönhatás járulékára az elméleti jóslat nagyon pontosan ismert. „Ezzel szemben az erős kölcsönhatásból származó korrekciók elméleti meghatározása sokáig kemény diónak bizonyult.”

A standard modellen belül a kvarkok közötti erős kölcsönhatást leíró kvantum-színdinamika (quantum chromodynamics, QCD) járul hozzá legnagyobb mértékben a sugárzási korrekció elméleti bizonytalanságához, és László szerint a „QCD erősen önkölcsönható természete miatt pont ezt a legnehezebb számolni, csak numerikus közelítő módszerekkel lehetséges”. A legnagyobb bizonytalansággal bíró, úgynevezett hadronikus vákuum-polarizációra „hosszú ideig tisztán elméleti számolás nem is létezett, hanem a standard modell jóslat egy kevert, kísérleti-elméleti módszerből származott: részecskegyorsítókban történő elektron-pozitron ütközések adatait felhasználva lehet kiszámolni” - írta Tóth, és hozzátette, „az így kapott eredményt az összes többi kölcsönhatás járulékával összeadva adódik a müon (g-2)-re a standard modellbeli eredmény, aminek az értéket elméleti fizikusok egy csoportja White Paper néven 2020-ban publikálta. Ez azonban a 2021-es kísérleti müon g-2 eredményhez képest 4.2 szigma, a legújabb kísérleti eredményhez képest 5 szigma eltérést mutat.”

Elméleti részről tehát a QCD jóslatának bizonytalansága okozza a legnagyobb problémát, amikor a standard modellt és a kísérleti eredményeket összevetik a kutatók, így László szerint elsősorban ennek pontosságát kellene növelni. „Úgy tudom azonban, hogy a rács-QCD számolásokat jobb módszerekkel újracsinálták, és ez csökkentette a szóban forgó feszültséget a kísérlet és standard modell között” – tette hozzá a Wigner kutatója. Ilyen számolásokon dolgozik Tóth mellett Fodor Zoltán, az amerikai Pennsylvaniai Egyetem és a Wuppertali Egyetem kutatója.

Tóth és kollégáinak Budapest-Marseille-Wuppertal kollaborációban működő kutatócsoportja azt tűzte ki célul, hogy a müon g-2 hadronikus vákuum-polarizáció járulékára egy tisztán elméleti jóslatot adjon, amihez közvetlenül az erős kölcsönhatást leíró alapegyenletekből indultak ki. „Ehhez azonban az erős kölcsönhatás nemlineáris egyenleteit kell megoldani, ami kizárólag numerikusan lehetséges. Az ún. rácstérelméleti módszert alkalmazzuk, amelyben a három térdimenziót és az időt egy véges rács segítségével diszkrét rácspontokra bontjuk, majd a kölcsönhatásban részt vevő részecskéket leíró mezők ezen rácspontokbeli értékeit szuperszámítógépek segítségével határozzuk meg.” – magyarázta Tóth a módszerük lényegét.

Ötödik kölcsönhatásra utalna?

Sabine Hossenfelder német elméleti fizikus keddi videójában arról beszél, hogy az új adatok alapján elég valószínűtlen, hogy a kísérlet és elmélet közötti feszültség mérési hibából ered, így szinte biztosan vagy az elmélettel van probléma, ami a standard modellen túlmutató fizikára utalhat, vagy pedig az elméleti kalkulációkkal. Ezután még humorosan hozzáteszi, hogy az ötödik kölcsönhatásról szóló szalagcímek még néhányszor körbemennek majd, mielőtt lebomlanak.

Hossenfelder ezzel a nemzetközi sajtóban megjelent címekre utal, amik a Müon g-2 eredményeket új fizikai kölcsönhatásra utaló jelként kezelik. Az univerzumban mai tudásunk szerint négy alapvető kölcsönhatás létezik: a kvarkokat összetartó erős kölcsönhatás, a béta-bomlásért felelős gyenge kölcsönhatás, a töltött részecskék közötti kölcsönhatást leíró elektromágnesesség, valamint a gravitáció. Ezeket – a gravitáció kivételével – a standard modell írja le.

Tóth, Fodor és kollégáik két évvel ezelőtt a Nature folyóiratban közölt eredményei még a szakembereket is meglepték. „Ha a hadronikus vákuum-polarizáció járulékára
kapott eredményünket a standard modellből származó többi járulékkal
összeadjuk, akkor a müon (g-2)-re így kapott tisztán elméleti jóslat
eltérése a g-2 kísérleti értékétől már nem jelentős, a 2021-es
kísérleti eredményhez képest 1.5 szigma, míg a legújabb kísérleti
eredményhez képest 1.7 szigma.” – írta Tóth. Ez pedig azt jelenti, hogy „a mi eredményünk alapján nincs tehát szükség a standard modellen túli, új fajta részecskékre vagy kölcsönhatásokra, hogy a müon anomális mágneses momentumának kísérleti értékét megmagyarázzuk.”

Amint Hossenfelder egy korábbi videójában kifejtette, egy új kölcsönhatás megtalálása az évszázad fizikai felfedezése lenne. De az a tény, hogy még nem bukkantunk rá, arra utal, hogy hatása vagy kozmológiai skálákon, vagy éppen ellenkezőleg, nagyon kis távolságokon jelentkezik csak. A német fizikus úgy látja, az ötödik kölcsönhatás megtalálására az általában sötét anyaghoz kötött megfigyelések környékén van a legnagyobb esély. Ezeket jelenleg gravitációs kölcsönhatással és ismeretlen szubatomi részecskékkel magyarázzák a szakemberek.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: