Standart Model ötesindeki yeni fizik arayışları, muon adı verilen kararsız parçacıklar üzerinde yürütülen hassas bir hesaplamayla yeni bir boyut kazanıyor. Uluslararası bir fizikçi ekibi, muonun anormal manyetik momentini bugüne kadarki en yüksek hassasiyetle hesaplamayı başardı. Elde edilen bu rekor sonuç, bu özel parçacık özelliğinin yeni bir fizik kuralı barındırma olasılığını şimdilik rafa kaldırıyor. Yeni çalışma, bu özelliğin yeni fiziği ortaya çıkarma olasılığını en azından şimdilik durduruyor. Araştırmacılar, bu anomaliyi hesaplamak için Kafes Kuantum Kromodinamiği (Lattice QCD) yöntemine dayanan yeni bir metot kullandılar.
Muon Parçacığı Nedir ve Neden Önemlidir?
Parçacık fiziğinin mevcut en iyi teorisi olan Standart Model (kütleçekimi hariç) içinde muon, temel bir parçacıktır. Bu parçacık, elektron ile aynı aileye (kuarklar ve leptonlar) aittir. Ancak elektrondan 200 kat daha ağırdır. Muon, diğer model parçacıklarıyla iki temel kuvvet üzerinden etkileşime girer. Bu kuvvetler elektromanyetizma ve zayıf nükleer kuvvettir.
Kuarkların ve leptonların tamamı, içsel açısal momentumları yani spinleri nedeniyle bir manyetik momente sahiptir. Kuantum teorisi, bu manyetik moment ile spin arasındaki ilişkiyi “g-faktörü” adı verilen bir katsayı ile açıklar. Fizikçiler bu değeri başlangıçta hem elektron hem de muon için tam olarak iki (g=2) olarak hesaplamışlardı.
Ancak son 50 yıldaki deneyler bu sayıdan çok küçük sapmalar tespit etti. Yaklaşık %0.1 oranındaki bu fark, “anormal g-faktörü” (a = (g – 2)/2) olarak bilinir. Bu sapma, “sanal parçacıkların” sürekli olarak yayılması ve geri emilmesi gibi radyatif düzeltmelerden kaynaklanır. Bu sapmaları ölçmek fizikçiler için çok büyük bir önem taşır. Çünkü g-faktörü, bilinen ya da henüz keşfedilmemiş diğer parçacıkların varlığına işaret edebilir. Bu da Standart Model ötesindeki fiziğin ipucunu verir. Fizikçiler bu aramayı muon sayesinde yaparlar. Muon elektrona kıyasla çok ağır olduğu için, sanal parçacıkların onun üzerindeki etkisi belirgin şekilde daha büyüktür. Bu artan hassasiyet, muon g−2 ölçümünü yeni fizik arayışlarında elektron g−2 ölçümüne göre çok daha avantajlı kılar.
Zorlu Ölçümler ve Hesaplamalar
Buradaki temel sorun, bu tür hesaplamaların hiç kolay olmamasıdır. Muonun kendisi güçlü etkileşimlere doğrudan katılmasa da manyetik momenti güçlü kuvvetten de katkı alır. Sistem, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin yanında bu kuvvetten de etkilenir. Bu güçlü katkılar, muonun fotonla etkileşime girmesiyle başlar. Foton ise kuarklarla etkileşir. Kuarklar da kendi aralarında güçlü kuvvetin taşıyıcısı olan gluon aracılığıyla etkileşime girer.
Kuvvet çok güçlü olduğu için, kuarkları proton ve nötronların içinde tutan bu yapıyı teorik hesaplamalara entegre etmek geleneksel olarak çok zordur.
Yeni çalışmada araştırmacılar, muon g−2 üzerindeki en belirsiz teorik katkıyı incelediler. Bu katkı, geleneksel olarak deneysel verilerle belirlenen “önde gelen düzen hadronik vakum polarizasyonudur” (LO-HVP). Ekip, bu problemi aşmak için Kafes QCD yöntemini kullandı. Kafes QCD, uzay-zamanı minik hücrelerden oluşan ince bir ağa ayırır. Bu yöntem, güçlü kuvvet denklemlerini süper bilgisayarlar üzerinde simüle ederek çözer.
Fizikçiler, muon g−2 hesabı için gereken yüksek hassasiyet seviyesine ulaşmayı başardılar. Bunun için önceki kafes hesaplamalarını daha ince grid yapılarıyla geliştirdiler. Ayrıca bu yöntemi, çok uzun mesafeli etkileşim bölgelerinden gelen deneysel verilerle birleştirdiler. Bu hibrit yaklaşım hataları muazzam oranda azalttı. Böylece muon manyetik momenti için şimdiye kadarki en kesin değer elde edildi.
Standart Model 11 Basamakta Doğrulandı
Projenin lider araştırmacısı durumun önemini vurguluyor. Yaptığı açıklamada şu ifadeleri kullanıyor: “Bizim sonucumuz, diğer katkılarla birleştiğinde üç etkileşimi (elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvvetleri) tek bir tahminde birleştiriyor. Bu kuvvetlerin her biri çok farklı teorik araçlar gerektirir. Elde ettiğimiz tekil hesaplama, son deneysel ölçümlerden yalnızca 0.5 standart sapma fark gösteriyor. Bu durum, Standart Model için 11 basamaklı dikkate değer bir doğrulama sağlıyor.”
Son çalışmalarındaki asıl amacın net bir durum ortaya koymak olduğunu belirtiyor. En başta tamamen teorik ve bağımsız bir yaklaşımla muonun manyetik momentini hesaplamayı hedeflediklerini söylüyor: “Çalışmaya başladığımızda, deney ile teori arasında çok güçlü bir gerilim olduğuna dair işaretler vardı. Bu gerilim, yeni bir etkileşimin varlığı anlamına gelebilirdi.”
Bu gerilimin doğrulanması durumunda heyecan verici bir sonuç çıkacağını ifade ediyor: “Bizim tarafımızdan biraz yanlı baksak da bu gerilimi onaylamak ‘yüzyılın temel keşfi’ olabilirdi. Ancak günün sonunda çalışmamız hiçbir gerilim olmadığını gösterdi. Böylece yeni bir etkileşim bulamadık. Fakat kuantum teorisinin benzeri görülmemiş bir doğrulukla çalıştığını kanıtladık.”
Yine de bu sonucun yeni fiziği tamamen devre dışı bırakmadığını ekliyor. Gelecekteki deneyler ve hesaplamalar resmi daha net hale getirecektir. Ancak şimdilik Standart Model güçlü duruşunu koruyor.
Physics World dergisine son olarak şunları aktarıyor: “Şu anda elimizde kuantum alan teorisinin harika bir kanıtı var. Bu durum, bu teoriye dayanarak yapılacak sonraki çalışmalara büyük bir güvenilirlik sağlıyor. Doğruluk oranı gerçekten şaşırtıcıdır. Bu başarı, güçlü etkileşimle ilgili diğer soruları da benzer veya daha iyi hassasiyetle yanıtlama ümidi veriyor. Nitekim diğer araştırma grupları da şu anda bizim sonucumuzu doğrulamak veya çürütmek için yarışıyor. Bu yarış, genel olarak alanımızın ilerlemesi için her halükarda faydalı olacaktır.”
Haberi Derleyen: Dilara SİPAHİ
KAYNAKÇA:
https://physicsworld.com/a/muon-g-2-calculation-sets-precision-record-and-backs-the-standard-model/