قد يدق مسمار آخر نعش الميون كمكان لفيزياء جديدة. فقد وجد فريق من الفيزيائيين الذين أجروا حسابات دقيقة للغاية لخصائص الميون في عمليات المحاكاة أن خصائص الجسيم تتوافق مع النموذج القياسي أكثر مما كان يُعتقد سابقًا.
يُطلق على الفريق اسم BMW Collaboration وهو يتم استضافة البحث حاليًا على خادم ما قبل الطباعة arXiv، مما يعني أنه لم يتم نشره بعد في مجلة تمت مراجعتها من قبل الأقران. النتائج السابقة التي توصل إليها الفريق، والتي نُشرت في طبيعة في عام 2021، “أضعفت” التناقض الطويل الأمد بين التجربة والنظرية. بعبارة أخرى، أدى عملهم إلى تقريب الفيزياء التجريبية من التوقعات النظرية عندما يتعلق الأمر بفهمنا للميون.
في ورقته البحثية الجديدة، أجرى الفريق عمليات محاكاة كروموديناميكية كمية كبيرة الحجم لشبكات أدق من تلك التي أجراها في عمله السابق، مما أسفر عن حساب أكثر دقة. في الأساس، أخذ الفريق كروموديناميكية كمية كمومية كمدخل، ووضع شبكة على الزمكان، وقام بمحاكاتها. تنبأت نتائجهم بعزم مغناطيسي شاذ للميون كان أقل بمقدار 0.9 انحراف معياري فقط عن المتوسط التجريبي لقياسات الخاصية.
الميون والنموذج القياسي
إن الميون عبارة عن جسيم أولي أكبر كتلة من الإلكترون بنحو 207 مرات. وعلى مدى عشرين عاماً تقريباً، اعتبر العلماء الميون مكاناً محتملاً لاكتشاف فيزياء جديدة. وتكمن المشكلة في قياسات العزم المغناطيسي الشاذ للجسيم، أو g-2، وهي الخاصية التي تصف مساهمة ميكانيكا الكم في تذبذب الجسيمات في وجود مجال مغناطيسي. وتتعارض خاصية g-2 للميون مع تنبؤات النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، وهي المجموعة الأساسية من النظريات التي تدعم الفيزياء على مدى السنوات الخمسين الماضية.
وعلى النقيض من التجارب الكبيرة التي تقيس g-2 من خلال تصادم الجسيمات، فإن بحث الفريق “لا يحتاج إلى أي مدخلات تجريبية. إنه يحتاج فقط إلى تنشيط النظرية الأساسية، وهي QCD”، كما قال زولتان فودور، المؤلف المشارك في الدراسة، وهو فيزيائي الجسيمات النظرية في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، في مكالمة مع جيزمودو. “لقد انتهى بك الأمر إلى ما تراه في أرقامنا اليوم: أن النتيجة تتفق تمامًا مع النتيجة التجريبية”.
وبعبارة أخرى، تشير نتائج الفريق إلى أن الفجوة الواضحة بين اللحظة المغناطيسية الشاذة التي تنبأ بها الميون وتلك التي تنبأ بها النموذج القياسي ليست كبيرة كما أشارت النتائج السابقة.
تشير النتائج التجريبية الرئيسية إلى وجود فيزياء جديدة
تم قياس العزم المغناطيسي الشاذ للميون لأول مرة في سيرن في ستينيات القرن العشرين، لكن القياس كان غير دقيق. في عام 2006، أصدرت تجربة E821 في مختبر بروكهافن الوطني قياساتها النهائية لـ g-2 للميون، والتي اختلفت عن تنبؤات النموذج القياسي بأكثر من انحرافين معياريين، وتضخمت إلى فرق يزيد عن ثلاثة انحرافات معيارية بعد الحسابات اللاحقة.
قال أندرياس كريفلين، عالم الفيزياء النظرية بجامعة زيورخ ومعهد بول شيرير، في مكالمة هاتفية مع موقع جيزمودو: “إن تفسير g-2 للميون باستخدام الفيزياء الجديدة ليس بالأمر السهل. إنه ليس شيئًا يأتي بشكل طبيعي؛ بل عليك بدلاً من ذلك العمل للعثور على نموذج يمنحك تأثيرًا كبيرًا”.
إن المعلم الإحصائي الذي يعتقد علماء الفيزياء أنه تم التوصل عنده إلى اكتشاف حقيقي ــ مما يشير إلى أن احتمال حدوث النتيجة بالصدفة في ظل النموذج القياسي صغير للغاية ــ هو خمسة انحرافات معيارية، أو “خمسة سيجما”.
في عام 2021، أعلن تعاون Muon g-2 عن قياس لعزم مغناطيسي للميون يختلف عن النموذج القياسي بمقدار 4.2 انحراف معياري. اتسعت الفجوة بين الأرقام منذ نتيجة بروكهافن. لكن في العام الماضي، بدا أن النتائج التجريبية من CMD-3، وهو مسرع في روسيا، جعلت التناقض بين الأرقام يتقلص. خطوتان إلى الأمام وخطوة إلى الوراء، اعتمادًا على كيفية نظرتك للأمر.
“يتفق هذا الحساب الأساسي الأول من الشبكة وقياس CMD-3، وكلاهما لا يشيران إلى فيزياء جديدة”، كما قال كريفلين. “أنا لست متفائلاً جدًا بوجود تأثير فيزيائي جديد كبير في g-2 للميون”.
إلو أين سيقودنا هذا الأمر!؟
هناك طرق أخرى لاستكشاف خصائص الميون. في عام 2022، سأل موقع جيزمودو العديد من علماء الفيزياء عن الاختراق الكبير القادم في فيزياء الجسيمات، في ظل الهدوء النسبي منذ رصد بوزون هيغز في عام 2012. اقترح أحد علماء الفيزياء تصادم الميونات – “إذا كانت لدينا مشكلة مع الميونات، فلنستخدم الميونات لمعرفة ذلك”، كما قالوا.
في الأسبوع الماضي، نشر فريق آخر من الباحثين تحليله لتجربة حزمة الميون التي قد تمهد الطريق لإنشاء مصادمات الميون في المستقبل. لكن بناء مصادم جديد قد يكون مكلفًا ويستغرق وقتًا طويلاً.
في ظل التجارب القائمة، يصبح الحصول على المزيد من البيانات مفيداً دائماً، وإعادة اختبار النتائج السابقة بطرق أكثر دقة قد يشير إلى ما إذا كان النموذج القياسي سيظل صامداً. ومن المتوقع أن تصدر تجربة Muon g-2 التي يجريها مختبر فيرمي لاب نتائجها النهائية العام المقبل. وإذا كانت النتائج السابقة تشكل أي مؤشر، فإن نتائج العام المقبل سوف تكون بمثابة نقطة بيانات أخرى في ملحمة الميون، وليس الفصل الأخير منها.