Zespół eksperymentu Muon g-2 prowadzonego w Fermi National Accelerator Laboratory w Chicago ogłosił pierwsze wyniki pomiarów anomalnego momentu magnetycznego mionu, które potwierdzają podejrzenia, że wielkość ta nie jest zgodna z przewidywaniami Modelu Standardowego. Wynik komentują naukowcy NCBJ: dr hab. Michał Bluj z Zakładu Fizyki Wysokich Energii i doktorzy hab. Kamila Kowalska oraz Enrico Sessolo z Zakładu Fizyki Teoretycznej.

Link do komunikatu Fermilab: https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-exp…

Komentarz dr hab. Michała Bluja z Zakładu Fizyki Wysokich Energii NCBJ, uczestnika współpracy CMS w CERN

Jest wspaniale zobaczyć po blisko dwóch dekadach, że nowy pomiar anomalnego momentu magnetycznego mionu (g-2) potwierdza wcześniej obserwowane odstępstwo od przewidywań Modelu Standardowego oddziaływań elementranych. Nowy pomiar ogłoszony przez eksperyment w laboratorum Fermiego w USA bazuje na pierwszej próbce danych zebranych w 2018 r. (Run-1), a jego precyzja jest porównywalna (nieco lepsza) z pomiarem eksperymentu poprzedniej generacji, ale co ważne obarczające go niepewności systematyczne zostały znacznie zredukowane. To w połączeniu z nowymi danymi z lat 2019-2020, które są analizowane, i tymi które są obecnie zbierane, pozwoli zwiększyć precyzję pomiaru około dwukrotnie w stosunku do poprzedniego wyniku, a w połączeniu ze wszystkimi zaplanowanymi danymi nawet czterokrotnie. Jednak już z obecną precyzją otrzymujemy silne potwierdzenie (na poziomie czterech odchyleń standardowych, tj ok. 1/40000), że Model Standardowy musi być uzupełniony, czyli że mamy do czynienia z nowymi nieznanymi cząstkami elemantarnymi lub nowym rodzajem oddziaływań. Jednak pomiar g-2 mionu nie dostarcza nam zbyt wielu informacji jakie to mogłyby być nowe cząstki lub oddziaływania co jest ekscytującym wyzwaniem zarówno dla fizyków teoretyków budujących nowe modele jak i eksperymentatorów.

Komentarz profesorów NCBJ Kamili Kowalskiej i Enrico Sessolo z Zakładu Fizyki Teoretycznej 

W Elektrodynamice Kwantowej - teorii opisującej ruch fermionów w polu elektromagnetycznym - elektron i inne naładowane leptony (mion i tau) oddziałują z polem magnetycznym dzięki magnetycznemu momentowi dipolowemu, który jest proporcjonalny do spinu leptonu czyli jego wewnętrznego momentu pędu. O sile tego oddziaływania decyduje tzw. współczynnik g, który klasycznie jest stałą równą dokładnie 2. Poprawki kwantowe wynikające z wirtualnej wymiany wszystkich cząstek występujących w przyrodzie mogą spowodować przesunięcie wartości współczynnika g. Nazywa się to anomalnym momentem magnetycznym. Biorąc pod uwagę wszystkie cząstki Modelu Standardowego, wartość tego przesunięcia można wyznaczyć z zadziwiającą precyzją 400 części na miliard. O dziwo, eksperyment "Muon g-2" przeprowadzony w Fermilab właśnie zmierzył anomalny moment magnetyczny mionu z precyzją porównywalną z precyzją obliczeń Modelu Standardowego. Podobnie jak w poprzednim eksperymencie w Brookhaven National Laboratory, nowy pomiar potwierdza odchylenie o więcej niż 3 sigma od przewidywań Modelu Standardowego. Łączna istotność statystyczna obu eksperymentów sięga 4,2 sigma, co oznacza 99,997% prawdopodobieństwa, że ​​nie jest to efekt statystyczny.

Jeśli Model Standardowy nie może wyjaśnić zmierzonej wartości, musi istnieć Nowa Fizyka. Teoretycy cząstek opracowali wiele modeli, które mogą wyjaśnić anomalię mionowego momentu magnetycznego. Możliwości jest wiele: supersymetria, leptokwarki, fermiony podobne do wektorów, nowe pola Higgsa i nowe bozony cechowania. Niektóre z nowych cząstek mogą być ciężkie, inne bardzo lekkie i prawie niewidoczne, mające związek z tajemnicą ciemnej materii. Prawie wszystkie z tych scenariuszy zostały zbadane przez kilku członków Zakładu Fizyki Teoretycznej w NCBJ. Czeka nas ekscytująca praca, ponieważ teoria wymaga cząstek, które muszą znajdować się w zasięgu obecnych i przyszłych eksperymentów. To także wyzwanie, ponieważ wiele modeli przywołanych w celu wyjaśnienia tej anomalii podlega silnym ograniczeniom wynikającym z bezpośrednich poszukiwań Nowej Fizyki w LHC.

Niestety, żadna prawdziwa impreza nie byłaby kompletna, gdyby ktoś nie pojawił się w ostatniej chwili, żeby ją zepsuć. Model Standardowy może nadal mieć ostatnie słowo. Niemal równocześnie została opublikowana wiadomość, że grupa obliczeń sieciowych Budapest-Marseille-Wuppertal (BMW), która specjalizuje się w obliczaniu wartości liczbowych podstawowych wielkości fizycznych na podstawie właściwości Chromodynamiki Kwantowej (QCD), odkryła, że ​​jeden z wkładów QCD w anomalny moment magnetyczny mionu może być znacznie większy niż wcześniej sądzono, i dlatego może być w stanie pomieścić świeżo zmierzoną wartość eksperymentalną. (https://www.nature.com/articles/s41586-021-03418-1)

Nowy wkład z Modelu Standardowego czy Nowa Fizyka poza Model Standardowy? Cokolwiek by to nie było, pomiar Fermilab pozostaje historycznym kamieniem milowym. Teraz my, teoretycy, musimy znaleźć ostateczną odpowiedź.