초등학교 입자의 행동에서 명백한 변칙이 주요 물리학 혁신에 대한 희망을 제기 한 지 20 년이 지난 후, 새로운 측정은 이들을 강화시켰다. 시카고 근처의 Fermi National Accelerator Laboratory의 물리학 자들은 오늘 전자와 유사한 기본 입자가 마그넷 링 주위를 휘젓는 동안 예상보다 더 많이 흔들렸다 고 발표했다.
.널리 예상되는 새로운 측정은 수십 년 전의 결과를 확인하여 전 세계의 헤드 라인을 만들었습니다. 뮤온의 흔들림 또는 자기 모멘트의 두 측정은 작년에 132 명의 이론 물리학 자의 국제 컨소시엄에 의해 계산 된 바와 같이 이론적 예측을 크게 과장합니다. Fermilab 연구원들은 물리학 자들이 발견을 주장 해야하는 엄격한 5 시그마 수준으로가는 길에 차이가“4.2 시그마”로 정량화 된 수준으로 성장했다고 추정합니다.
.액면가로 취해진 불일치는 자연의 미지의 입자가 뮤온에게 추가 푸시를주고 있음을 강력하게 시사합니다. 그러한 발견은 오랫동안 마지막으로 50 세의 표준 입자 물리학 모델의 분해-알려진 기본 입자와 상호 작용을 설명하는 방정식 세트.
Fermilab Muon G-2 실험의 지도자 중 한 명인 Graziano Venanzoni이자 이탈리아 국립 핵 물리학 연구소의 물리학자인 Graziano Venanzoni는“오늘은 우리뿐만 아니라 국제 물리학 공동체 전체에 의해 오랫동안 기다려온 특별한 날입니다.
그러나 많은 입자 물리학자가 축하 할 가능성이 높고 불일치를 설명 할 수있는 새로운 아이디어를 제안하기 위해 경주 할 가능성이 높습니다. 새로운 뮤온 측정을 극적으로 둔한 빛으로 캐스팅합니다.
Fermilab 팀이 새로운 측정을 발표 한 것처럼 보이는이 논문은 Muon의 측정 된 흔들림이 표준 모델이 예측하는 것임을 시사합니다.
.이 논문에서, BMW로 알려진 이론가 팀은 Muon의 자기 모멘트의 표준 모델 예측에 들어가는 가장 불확실한 용어의 최첨단 슈퍼 컴퓨터 계산을 제시합니다. BMW는이 용어가 작년에 이론 이니셔티브로 알려진 컨소시엄이 채택한 가치보다 상당히 큰 것으로 계산합니다. BMW의 더 큰 용어는 뮤온의 자기 모멘트의 전체 예측 값이 더 커져서 측정과 일치합니다.
새로운 계산이 정확하다면, 물리학 자들은 20 년 동안 유령을 쫓는 데 소비했을 수 있습니다. 그러나 이론 이니셔티브의 예측은 수십 년 동안 연마 된 다른 계산 접근법에 의존했으며, 옳을 수 있습니다. 이 경우 Fermilab의 새로운 측정은 몇 년 동안 입자 물리학에서 가장 흥미로운 결과를 구성합니다.
BMW 팀의 일원 인 Pennsylvania State University의 이론적 입자 물리학 자 Zoltan Fodor는“이것은 매우 민감하고 흥미로운 상황입니다.
BMW의 계산 자체는 뉴스를 깨뜨리지 않습니다. 이 논문은 작년에 처음으로 사전 인쇄물로 나타났습니다. 이론 이니셔티브를 공동 조직 한 일리노이 대학교의 입자 이론가 인 Aida El-Khadra는 BMW 계산을 심각하게 받아 들여야한다고 설명했지만 여전히 이론 이니셔티브의 전반적인 예측에 포함되지 않았다고 설명했다. 다른 그룹이 BMW의 계산을 독립적으로 확인하면 이론 이니셔티브가이를 다음 평가에 통합합니다.
이론 이니셔티브에 참여하고 Fermilab Muon G-2 팀의 일원 인 Dresden 기술 대학의 이론가 인 Dominik Stöckinger는 BMW 결과가“불분명 한 지위”를 생성한다고 말했다. 물리학 자들은 이미 알고있는 17 개의 표준 모델 입자의 영향에 동의 할 때까지 이국적인 새로운 입자가 뮤온을 밀고 있는지 여부를 말할 수 없습니다.
.그럼에도 불구하고, 낙관론에 대한 많은 이유가 있습니다. 연구원들은 BMW가 옳더라도 두 계산 사이의 당황스러운 걸이 자체를 새로운 물리학을 가리킬 수 있다고 강조합니다. 그러나 현재 이론과 실험 사이의 지난 20 년간의 갈등은 더욱 예상치 못한 것으로 대체 된 것으로 보인다 :이론 대 이론의 전투
.Momentous Muons
물리학 자들이 Fermilab의 새로운 측정을 간절히 기다리는 이유는 뮤온의 자기 모멘트 (본질적으로 고유 한 자기의 강도)가 우주에 대한 엄청난 양의 정보를 인코딩하기 때문입니다.
.1 세기 전, 물리학 자들은 기본 입자의 자기 모멘트가 더 큰 물체와 동일한 공식을 따라갈 것이라고 가정했습니다. 대신 그들은 전자가 예상보다 두 배나 많은 자기장에서 회전한다는 것을 발견했습니다. 그들의 "자이로 성 비율"또는 "g-factor"(자기 모멘트와 다른 특성과 관련된 숫자는 1이 아닌 2 인 것처럼 보였고, 나중에 전자가 하나가 아니라 두 개의 전체 회전으로 돌아온 후 같은 상태로 돌아온다는 사실에 의해 놀라운 발견이 나중에 설명되었습니다.
.수년 동안 전자와 뮤온은 모두 정확히 2의 G- 인자를 갖는 것으로 생각되었습니다. 그러나 1947 년에 Polykarp Kusch와 Henry Foley는 전자의 G-Factor를 2.00232로 측정했습니다. 이론적 물리학 자 줄리안 슈뢰 따는 사람은 거의 즉시 여분의 비트를 설명했다.
다른 많은 사람들이 양자 변동도 발생합니다. 전자 또는 뮤온은 표준 모델이 허용하는 수많은 다른 가능성 중에서 전자 및 양전자가되는 2 개의 광자 또는 간단한 광자를 방출하고 재 흡수 할 수 있습니다. 이러한 임시 증상은 측근과 같은 전자 또는 뮤온으로 여행하며, 모두 자기 특성에 기여합니다. Fermilab Muon G-2 실험의 또 다른 리더 인 크리스 폴리 (Chris Polly)는“맨 뮤온이라고 생각한 입자는 실제로 뮤온과 자발적으로 나타나는 다른 것들의 구름입니다. "그들은 자기 모멘트를 바꿉니다."
양자 변동이 드물어 전자 또는 뮤온의 G-Factor에 기여가 줄어 듭니다. 폴리는“소수점 이하 자리로 갈수록 갑자기 쿼크가 처음 나타나기 시작하는 곳을 볼 수있다”고 말했다. 또한 W와 Z Bosons라는 입자 등이 있습니다. 뮤온은 전자보다 207 배 더 무겁기 때문에 측근에서 무거운 입자를 만들 가능성이 약 207 (또는 43,000 배)입니다. 따라서이 입자는 뮤온의 G- 인자를 전자보다 훨씬 더 변경합니다. 폴리는“따라서 우주의 누락 된 질량을 설명 할 수있는 입자를 찾고 있다면, 또는 상대방이라는 이론의 입자를 찾고있다”고 말했다.
수십 년 동안 이론가들은 표준 모델에서 알려진 입자의 반복이 점점 더 가능성이 낮은 Muon의 G-Factor에 대한 기여를 계산하기 위해 노력해 왔으며, 실험가는 점점 증가하는 정밀도로 G-Factor를 측정했습니다. 측정이 기대를 능가한다면, 이것은 뮤온의 측근에서 낯선 사람의 존재를 배신 할 것입니다 :표준 모델을 넘어 입자의 냉담한 모습.
.Muon Magnetic Moment 측정은 1950 년대 Columbia University에서 시작되었으며 10 년 후 유럽 입자 물리 연구소 Cern에서 픽업되었습니다. 그곳에서 연구원들은 오늘날 Fermilab에서 여전히 사용되는 측정 기술을 개척했습니다.
고속 뮤온은 자화 된 고리로 촬영됩니다. 뮤온이 링 주위를 휘젓고 강력한 자기장을 통과하면 입자의 스핀 축 (작은 화살표로 묘사 될 수 있음)이 점차 회전합니다. 백만 분 후, 일반적으로 링 주위를 수백 번 속도 후, 뮤온은 부패하여 주변 탐지기 중 하나로 날아가는 전자를 생성합니다. 다른 시간에 링에서 나오는 전자의 다양한 에너지는 뮤온 스핀이 얼마나 빨리 회전하는지를 보여줍니다.
1990 년대에 Long Island의 Brookhaven National Laboratory의 한 팀은 50 피트 너비의 링을 건설하여 뮤온을 날아 가서 데이터를 수집하기 시작했습니다. 2001 년에 연구원들은 MUON의 G-Factor에 대해 2.0023318404를보고 한 첫 번째 결과를 발표했으며, 마지막 두 자리는 약간의 불확실성을 발표했습니다. 한편, 당시 가장 포괄적 인 표준 모델 예측은 2.002318319의 상당히 낮은 값을 제공했습니다.
그것은 즉시 세계에서 가장 유명한 8 학년의 불일치가되었습니다.
당시 실험을 수행 한 대학원생이었던 폴리는“수백 마리의 신문이 그것을 다루었 다.
Brookhaven의 측정은 3 시그마 편차로 알려진 오류의 여백의 거의 3 배까지 예측을 과도하게 만듭니다. 3 시그마 갭은 무작위 소음이나 작은 오류의 운이 좋은 축적으로 인해 발생할 가능성이 높지 않습니다. 그것은 이론적 계산에서 뭔가 빠진 것으로 암흑 물질 입자 나 여분의 힘을 발휘하는 보손과 같은 것이 빠졌다 고 강하게 제안했다.
그러나 일련의 사건이 발생하지 않기 때문에 물리학 자들은 발견을 결정적으로 주장하기 위해 예측과 측정 사이의 5 시그마 편차가 필요합니다.
Hadrons의 문제
Brookhaven의 헤드 라인 제작 측정 후 1 년 후, 이론가들은 예측에서 실수를 발견했습니다. 뮤온에 관여 할 수있는 수만 개의 양자 변동의 한 그룹을 나타내는 공식은 도적 마이너스 부호를 포함하고; 계산에 고정하면 이론과 실험의 차이가 두 시그마에 불과했습니다. 그것은 흥분 할 것이 없습니다.
그러나 Brookhaven 팀이 10 배 더 많은 데이터를 얻었을 때 Muon G-Factor의 측정은 동일하게 유지되는 동안 측정 주변의 오류 막대가 줄어들 었습니다. 이론과의 불일치는 2006 년 실험의 최종 보고서에 의해 3 개의 시그마로 거슬러 올라 갔으며, 이론가들은 측정을 향해 가치가 상승한 것을 보지 않고 G-Factor의 표준 모델 예측을 계속 연마함에 따라 계속 성장했습니다.
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Brookhaven 이상은 새로운 입자에 대한 다른 검색이 실패함에 따라 물리학 자의 정신에서 더 크게 줄었다. 2010 년대에 걸쳐 유럽의 200 억 달러 규모의 대형 Hadron Collider는 자연의 빌딩 블록의 패턴을 완성 할 수있는 수십 개의 새로운 입자를 소통하기 위해 양성자를 함께 비췄습니다. 그러나 콜라더는 표준 모델의 마지막 누락 된 부분 인 Higgs Boson 만 발견했습니다. 한편, 암흑 물질에 대한 수많은 실험적 검색은 아무것도 발견하지 못했습니다. 새로운 물리학에 대한 희망은 점점 더 흔들리는 뮤온을 탔습니다. Rutgers University의 입자 물리학자인 Matthew Buckley는“새로운 물리학에 대한 마지막 희망인지는 모르겠지만 확실히 중요한 것입니다.
모든 사람들은 발견의 임계 값을 넘기려면 뮤온의 자이로 마자 비율을 더 정확하게 측정해야한다는 것을 알고있었습니다. 따라서 후속 실험 계획이 진행되었습니다. 2013 년에 Brookhaven에서 사용 된 거대한 자석은 Long Island의 바지선에 싣고 대서양 연안과 미시시피 및 일리노이 강을 Fermilab으로 배송했습니다.이 실험실의 강력한 Muon Beam은 이전보다 훨씬 빠르게 데이터가 발생할 수있었습니다. 그와 다른 개선으로 Fermilab 팀은 Brookhaven보다 Muon의 G-Factor를 4 배 더 정확하게 측정 할 수 있습니다.
.2016 년, El-Khadra와 다른 사람들은 이론 이니셔티브를 조직하기 시작하여 Fermilab 데이터가 출시되기 전에 G-Factor에 대한 컨센서스 표준 모델 예측에 도달하기 시작했습니다.“이러한 절묘한 실험 측정의 영향을 극대화하기 위해서는 이론이 기본적으로 함께 행동해야합니다.”라고 그녀는 말했다. 이론가들은 Muon의 G-Factor에 기여하는 다른 양자 비트와 조각의 계산을 비교하고 결합하여 지난 여름 2.002318362의 전반적인 예측에 도달했습니다. 그것은 Brookhaven의 최종 측정 2.0023318416 아래의 3.7 시그마가 떨어졌습니다.
그러나 이론 이니셔티브의 보고서는 최종 단어가 아닙니다.
표준 모델이 뮤온의 자기 모멘트에 대해 예측하는 것에 대한 불확실성은 전적으로“hadrons”의 측근, 즉 쿼크로 만든 입자의 존재에서 비롯됩니다. Quarks는 강한 힘 (표준 모델의 세 힘 중 하나)을 느낍니다. 이는 마치 쿼크가 접착제로 수영하는 것처럼 보이고 그 접착제는 다른 입자와 끝없이 조밀합니다. 강한 힘 (따라서 궁극적으로 Hadrons의 행동)을 설명하는 방정식은 정확하게 해결할 수 없습니다.
따라서 뮤온 가운데에 Hadrons가 얼마나 자주 나타나는지 측정하기가 어렵습니다. 지배적 인 시나리오는 다음과 같습니다. 뮤온은 함께 여행 할 때 순간적으로 광자를 방출하여 하드론과 항히드론으로 변형됩니다. Hadron-Antihadron 쌍은 신속하게 광자로 다시 소멸시켜 뮤온이 재 흡수합니다. Hadronic 진공 분극이라는이 과정은 7 번째 소수점 이하 십진 자리에서 시작하는 Muon의 자이로기 비율에 대한 작은 보정을 제공합니다. 이 수정을 계산하는 것은 발생할 수있는 각 Hadron-Antihadron 쌍에 대해 복잡한 수학적 합계를 해결하는 것이 포함됩니다.
이 hadronic 진공 분극 용어에 대한 불확실성은 G-Factor에 대한 전반적인 불확실성의 주요 원인입니다. 이 용어의 작은 증가는 이론과 실험의 차이를 완전히 지울 수 있습니다. 물리학 자들은 그것을 계산하는 두 가지 방법이 있습니다.
첫 번째 방법으로 연구원들은 Hadrons의 행동을 계산하려고 시도하지 않습니다. 대신, 그들은 단순히 다른 입자 충돌 실험의 데이터를 Hadronic 진공 분극 용어에 대한 기대로 변환합니다. Stöckinger는“데이터 중심의 접근 방식은 수십 년에 걸쳐 개선되고 최적화되었으며, 접근 방식에서 다른 세부 사항을 사용하는 여러 경쟁 그룹이 서로를 확인했습니다. 이론 이니셔티브는이 데이터 중심의 접근 방식을 사용했습니다.
그러나 최근 몇 년 동안 순전히 계산 방법이 꾸준히 개선되었습니다. 이 접근법에서 연구원들은 슈퍼 컴퓨터를 사용하여 우주의 모든 곳이 아닌 격자의 개별 지점에서 강한 힘의 방정식을 해결하여 무한히 상세한 문제를 유한 한 문제로 바꿉니다. Fodor는 "Hadrons의 행동을 예측하기 위해 Quark Quagmire를 거친 곡식을"일기 예보 또는 기상학과 유사하다 "고 Fodor는 설명했다. 격자 포인트를 매우 가깝게 정리하여 계산을 할 수 있지만 컴퓨터를 한계로 밀어 넣습니다.
.대부분의 팀원이 원래 기반을 둔 3 개의 유럽 도시인 부다페스트, 마르세유 및 우퍼 탈 (Wuppertal)의 이름을 따서 명명 된 14 인 BMW 팀은이 접근법을 사용했습니다. 그들은 4 가지 주요 혁신을 만들었습니다. 먼저 그들은 임의의 노이즈를 줄였습니다. 그들은 또한 격자에서 매우 정확하게 규모를 결정하는 방법을 고안했습니다. 동시에, 그들은 초기 노력에 비해 격자의 크기를 두 배 이상 늘려서 에지 효과에 대해 걱정하지 않고 격자의 중심 근처에서 Hadrons의 행동을 연구 할 수있었습니다. 마지막으로, 그들은 쿼크 유형 사이의 질량 차이와 같이 종종 무시되는 복잡한 세부 사항 가족을 계산에 포함시켰다. Fodor는“4 가지 변화 모두에 많은 컴퓨팅 파워가 필요했습니다.
그런 다음 연구원들은 뮌헨, 뮌헨, 슈투트가르트, 오르사이, 로마, 우퍼 탈 및 부다페스트에서 슈퍼 컴퓨터를 지휘하여 새롭고 더 나은 계산을 위해 노력했습니다. 수억 시간의 크 런칭 후, 슈퍼 컴퓨터는 hadronic 진공 분극 용어에 대한 값을 내놓았습니다. Muon의 G-Factor에 대한 다른 모든 양자 기여와 결합 된 총계는 2.00233183908을 산출했습니다. Fodor는 이것은 Brookhaven 실험과“상당히 좋은 일치”라고 말했다. "우리는 우리가 매우 놀랐기 때문에 백만 번을 교차 확인했습니다." 2020 년 2 월, 그들은 Arxiv.org Preprint Server에 작업을 게시했습니다.
이론 이니셔티브는 몇 가지 이유로 BMW의 가치를 공식 추정에 포함시키지 않기로 결정했습니다. 데이터 중심의 접근 방식은 약간 더 작은 오류 막대를 가지며 3 개의 다른 연구 그룹은 동일한 것을 독립적으로 계산했습니다. 대조적으로, BMW의 격자 계산은 지난 여름 기준으로 출판되지 않았습니다. 결과는 이전, 덜 정밀한 격자 계산에도 잘 동의하지만 다른 그룹은 동일한 정밀도로 독립적으로 복제되지 않았습니다.
.이론 이니셔티브의 결정은 Muon의 자기 모멘트의 공식 이론적 가치가 Brookhaven의 실험 측정과 3.7 시그마 차이를 가지고 있음을 의미했습니다. 그것은 2012 년 Higgs Boson 이후 입자 물리학에서 가장 기대되는 공개가 된 단계를 설정했습니다.
계시
한 달 전, Fermilab Muon G-2 팀은 오늘 첫 번째 결과를 발표 할 것이라고 발표했습니다. 입자 물리학자는 황홀했습니다. 취리히 대학교의 물리학자인 Laura Baudis는 20 년 동안 결과를 예상 한 후“4 월 7 일까지의 날을 세고있다”고 말했다. "Brookhaven 결과가 Fermilab의 새로운 실험에 의해 확인되면, 이것은 엄청난 성과가 될 것입니다."
.그리고 그렇지 않다면 - 변칙이 사라지면, 입자 물리학 공동체의 일부는“입자 물리학의 끝”이상을 두려워하지 않았다고 Stöckinger는 말했다. Fermilab G-2 실험은“표준 모델을 넘어 물리학의 존재를 실제로 증명하는 실험의 마지막 희망”이라고 그는 말했다. 그렇게하지 못한다면 많은 연구자들은“우리는 이제 포기하고 표준 모델을 넘어 물리학을 연구하는 대신 다른 일을해야한다”고 느낄 수 있습니다. 그는 덧붙였다.“정직하게 말하면 내 자신의 반응 일 수 있습니다.”
200 명인 Fermilab 팀은 6 주 전 줌의 공개 행사에서 그 결과를 공개했습니다. 팀의 과학자 인 Tammy Walton은 실험에서 야간 근무를 한 후 쇼를 잡기 위해 집으로 달려갔습니다. (새로운 분석은 실험이 결국 발생하는 것의 6%를 차지하는 첫 번째 실행의 데이터를 다루고 있습니다.) 모든 중요한 숫자가 화면에 나타 났을 때, 이론 이니셔티브의 예측과 함께, Brookhaven 측정과 함께, Walton은 이전과 거의 Smack Dab보다 더 높은 토지를 보게되어 기뻤습니다. “사람들은 미친 짓을 할 것입니다.”라고 그녀는 말했습니다.
새로운 물리학에 대한 다양한 아이디어를 제안하는 논문은 앞으로 Arxiv에 침수 될 것으로 예상됩니다. 그러나 그 외에도 미래는 불분명합니다. 한때 이론과 실험 사이의 조명 침해는 끔찍한 계산에 의해 흐려졌습니다.
Supercomputer 계산이 잘못 될 수 있습니다. BMW는 일부 오류 원인을 간과했을 것입니다. El-Khadra는“우리는 계산을 면밀히 살펴볼 필요가 있습니다. "그것은 정밀도를 얻기 위해 방법을 추진하고 있으며, 그들이 방법에 대한 방법이 그들을 깨뜨 렸는지 이해해야합니다."
.새로운 물리학 팬들에게는 좋은 소식이 될 것입니다.
흥미롭게도, 데이터 중심의 방법이 후드 아래에서 미확인 문제가있는 접근 방식이더라도, 이론가들은 새로운 물리학이 아닌 문제가 무엇인지 이해하기가 어렵습니다. 이론 이니셔티브의 주요 회원 인 베른 대학의 마틴 호페리 체터 (Martin Hoferichter)는“새로운 물리학의 필요성은 다른 곳에서만 이동할 것”이라고 말했다.
지난 한 해 동안 데이터 중심 방법으로 가능한 문제를 탐색 한 연구원들은 데이터 자체가 잘못 될 가능성이 없다고 말합니다. 그것은 35 개의 Hadronic 프로세스의 수십 년간 초음파 측정에서 비롯됩니다. 그러나“데이터 또는 그것이 해석되는 방식이 오해의 소지가있을 수 있습니다.
그는 파괴적인 간섭이 뮤온 근처의 hadronic 진공 분극에 영향을 미치지 않으면 서 특정 전자-포지트론 충돌에서 발생하는 hadronic 프로세스의 가능성을 줄이기 위해 발생한다고 설명했다. 그런 다음 데이터 중심의 외삽 법이 작동하지 않습니다. 그러나이 경우 동일한 hadronic 프로세스에 민감한 또 다른 표준 모델 계산이 버려져 이론과 데이터 사이에 다른 긴장이 생깁니다. 그리고이 긴장은 그 자체로 새로운 물리학을 제안 할 것입니다.
El-Khadra가 말한 것처럼 새로운 물리학을 "다른 곳에서는 관찰되지 않았을 정도로"새로운 물리학을 유지 하면서이 다른 긴장을 해결하는 것은 까다 롭습니다. 예를 들어 벡터와 같은 렙톤이라는 가상 입자의 효과를 도입함으로써 가능합니다.
.따라서 뮤온 주위에 소용돌이 치는 미스터리는 결국 표준 모델을지나 우주에 대한보다 완전한 설명으로 이어질 수 있습니다. 그러나 오늘날의 뉴스 - Fermilab의 결과와 BMW 계산의 자연 출판물이라는 말이 안전합니다. - 입자 물리학의 끝이 아닙니다.
