Teorik tahminler ve müonun manyetik momentinin gözlemlenen değeri çelişiyor, ancak bazı tahminler de birbiriyle çelişiyor ve bu da teorisyenlerin üstesinden gelmeye çalıştığı bir sorun.
Parçacık fizikçileri, elektron benzeri bir parçacığın manyetik bir alanda nasıl yalpaladığını tanımlayan müonun manyetik momentini anlamakta zorlandılar. Uzun bir süre boyunca, bu parametrenin deneylerle elde edilen değerleri teorik öngörülerle uyuşmadı. Bu durum, Fermilab’ta yapılan Muon g-2 deneyinden elde edilen son bulgularla da devam etmiştir.
Böyle bir eşitsizlik ilgi çekicidir çünkü parçacık fiziğindeki çözülmemiş bazı sorunları ele alabilecek yeni fiziğe işaret edebilir. Ancak aradaki farkın ne kadar olduğu hangi teorik grupla konuştuğunuza bağlıdır. Şu anda müon-moment araştırmacılarının birincil amacı bu teorik eşitsizliği uzlaştırmaktır.
Illinois Üniversitesi’nden Aida El-Khadra, “Teori tarafında hala yapılması gereken çok iş var” diyor ve Müon g-2 Teorisi Girişimi’ne liderlik ediyor.
2021’de müonun momentini belirlemeye yönelik iki farklı yaklaşımın öngörüleriyle ilgili bir anlaşmazlık ortaya çıktı ve teorisyenler kesin bir tahminde bulunamadı.
Teorisyenler son iki yıldır tahminlerini geliştirmek için çok çalışıyorlar, ancak aradaki uçurum hala devam ediyor. Connecticut Üniversitesi’nden Thomas Blum, yaklaşımlar arasında hala önemli bir fark olduğunu iddia ediyor. Bilim insanları bu farklılığın kaynağına odaklanıyor. Bunu bilgisayar modelleri ve deneysel veriler kullanarak yapıyorlar.
El-Khadra, bundan sonra deney-teori farkını ve bunun standart modeli nasıl etkilediğini tartışmaya dönebileceklerini öne sürüyor. Büyük bir ihtiyat söz konusu. Bununla birlikte, yeni fizik olasılığı geçerliliğini koruyor.
Müonun momenti, boyutsuz birimler cinsinden, klasik bir öğe olsaydı 2’ye eşit olurdu. Ancak öyle değildir. Ölçülen değer 2’yi yaklaşık %0,1 oranında aşar. Müon, anormal manyetik moment (aµ) olarak bilinen bu küçük ekstra biti üretmek için anlık olarak ortaya çıkan ve kaybolan parçacıklarla etkileşime girer. Müon, manyetik alana nasıl tepki vereceğini etkileyen bu “sanal” parçacıklardan oluşan bir bulutla çevrilidir.
Vektör bozonları, nötrinolar, elektronlar ve aradaki her şey dahil olmak üzere birçok farklı sanal parçacık türü vardır.
Ancak teorisyenlerin başını en çok ağrıtan parçacıklar, proton ve pionları içeren ve kuarklar içeren hadronlardır. El-Khadra, “Tüm sorunlar buradan kaynaklanıyor” diyor.
Teorisyenler, sanal hadronların müonun manyetik momenti üzerindeki net etkisini ya da hadronik vakum polarizasyonu (HVP) olarak bilinen şeyi yüksek hassasiyetle hesaplamak zor olduğu için stratejiler kullanıyorlar. Elektron-pozitron çarpışmalarından elde edilen deneysel verileri kullanan “veri odaklı” yaklaşımın sırrı HVP’yi tahmin etmektir. Bilim insanları özellikle bu çarpışmaların hadronlarla sonuçlanan kısmını seçiyor. Müonlar ve elektronlar aynı parçacık ailesine ait olduğundan, “sanal” hadronların müon momenti üzerindeki pus benzeri etkisi, elektron-pozitron çarpışmalarında gerçek hadron yaratma olasılığı ile orantılıdır.
Paris-Saclay Üniversitesi’nden Michel Davier’e göre, teorik olarak elektron-pozitron çarpışma verilerini HVP tahminine dönüştürmek “basit bir iş”. Deneylerden gerekli verinin toplanması daha zordur. İtalya’daki KLOE ve ABD’deki BaBar gibi yıllar içinde gerçekleştirilen çok sayıda elektron-pozitron çarpıştırıcı deneyi göz önüne alındığında, bu kısıtlama şaşırtıcı gelebilir. Bununla birlikte, bu deneylerin çoğunun amacı yüksek enerjili çarpışmaları araştırmaktı ancak HVP’yi hesaplamak için düşük enerjili çarpışmalar gereklidir.
Fizikçiler, elektron veya pozitronun çarpışmadan önce bir foton yayması sonucu meydana gelen nadir düşük enerji oluşumlarına odaklanarak, bu enerji sorununun üstesinden gelmeyi başardılar. Bu yöntem Davier ve meslektaşları tarafından BaBar gözlemlerinden düşük enerjili verileri çıkarmak için kullanıldı; KLOE ölçümlerinden benzer çıkarımlar başkaları tarafından da yapılmıştır. Muon g-2 Teorisi Girişimi, çeşitli veri setlerinden elde edilen HVP tahminlerinin eşleşmemesi nedeniyle tahminleri 2020 yılında topladı. Bu, yaklaşık %0,6’lık bir belirsizlikle (hata çubukları) ortalama veriye dayalı bir HVP değerinin belirlenmesine olanak sağladı. Proje, bu değeri daha sonraki hesaplamalarla entegre ederek, esas olarak HVP bileşenindeki belirsizlik nedeniyle anormal manyetik momenti milyonda 0,4 parça (ppm) doğrulukla aμ = 0,00116591810 olarak tahmin edebildi.
Muon g-2 ölçümüne dayalı olarak en güncel tahmin, bu teorik eşikten 2,1 ppm daha düşüktür.
Son 20 yıldır veriye dayalı teknik, HVP hesaplamaları için standart olmuştur. Ancak kafes yaklaşımı olarak bilinen farklı bir strateji son yıllarda ilgi görmüştür. Bu yaklaşımın sırrı, bir müonun sanal pusla nasıl etkileşime girdiğini çözerken uzay-zamanı ayrıklaştırmaktır. Blum’a göre “bu, deneysel girdisi olmayan bir ilk prensip yaklaşımıdır.”
Kuarklar ve gluonlar (güçlü kuvvet taşıyıcıları) arasındaki etkileşimleri açıklayan bir teori olan kuantum renk dinamiği, kafes yaklaşımının temelini oluşturur. Parçacıkların bir satranç tahtasındaki taşlara benzer şekilde bir kafes üzerinde sırayla hareket ettiğini varsayarak fizikçiler, kuantum renk dinamiğinin zor olduğu bilinen hesaplamalarını daha ulaşılabilir hale getirme yolunda ilerleme kaydettiler. Uzayın bu ayrıklaştırılması, karmaşık matematiksel integrallerin daha anlaşılır toplamlara indirgenmesini mümkün kılar.
Araştırmacılar belirli bir kafes yapısı için birçok simülasyon çalıştırarak bir deneyin birden çok kez yürütülmesini simüle ederler. Belirli parçacıkların kütlesi ve dönüşü gibi fiziksel nicelikleri tahmin etmek için bu simülasyonların ortalamasını alırlar.
Kafes yönteminin zorluğu, uzay-zamanın ayrıklaştırılmasının, kafesin genel boyutuna ve kafes bölgeleri arasındaki mesafelere dayanan belirsizlikler ortaya çıkarmasıdır. Tipik olarak araştırmacılar, her iki tarafta da femtometrenin onda biri kadar alan ayrımına sahip birden fazla femtometre bulunan kutular kullanır. Bu koşullar altında, HVP değerine ilişkin hesaplamalarda genellikle veriye dayalı sonuçlardan daha büyük, yaklaşık yüzde 3 oranında hata çubukları bulunur.
Budapeşte-Marsilya-Wuppertal (BMW) İşbirliği 2021’de hata çubukları 0,8 olan bir HVP değeri yayınladığında durum değişti. Fransa’daki Aix-Marseille Üniversitesi’nden BMW ekip üyesi Laurent Lellouch, “Kafes yaklaşımının veri odaklı yaklaşımla gerçekten rekabetçi hale geldiği ilk seferdi” diye açıklıyor.
Ekip, çok sayıda kafes simülasyonu yaparak hesaplamalarındaki istatistiksel belirsizliği azaltmayı başardı. Devasa süper bilgisayarlar üzerinde çalışmak için yüz milyonlarca işlemci saati ve birkaç yıl gerekiyordu. Lellouch’a göre “çok fazla ‘dirsek yağı’ söz konusuydu.”
BMW’nin HVP sonucu, ek hesaplamalarla birleştirildiğinde, aμ = 0,00116591954 anormal manyetik momentine yol açar; bu, veriye dayalı tahminden yaklaşık 1,2 ppm daha yüksektir. Deneysel değer söz konusu olduğunda, 0,9 ppm’lik bir farkla BMW kafes tahmini veriye dayalı tahminden daha doğrudur.
Soruna Genel Bakış
Müonun manyetik momentine ilişkin teorik anlayış, BMW bulgusu ile veriye dayalı bulgu arasındaki tutarsızlık nedeniyle sorgulanmaya başlandı. Ancak daha fazla kanıtın yokluğunda parçacık fizikçileri bunu benimseme konusunda isteksiz davrandılar. El-Khadra, BMW sonucunun dikkat çekici olmasına rağmen %1’in altında hassasiyet seviyesine sahip tek sonuç olduğunu belirtiyor. Ona göre topluluk, çeşitli hata azaltma ve ayrıklaştırma stratejileri kullanan diğer kafes gruplarından daha kesin bulgular bekliyor. Lellouch çapraz kontrolün çok önemli olduğu konusunda hemfikir. Ancak, başka hiçbir kafes grubu son iki yılda BMW İşbirliği tarafından elde edilen %1’in altında hassasiyete sahip bir HVP hesaplaması yayınlamadığı için bu araştırmalar biraz zaman alacaktır.
Bu zahmetli çapraz kontroller devam ederken, bazı kuruluşlar kafes gruplarının aynı yöne gidip gitmediğine ilişkin ilk değerlendirmeyi sunabilecek daha hızlı hesaplamalar geliştiriyor. Blum ve ark. müonun sanal hadronlarla etkileşime girdiği mesafenin HVP hesaplamasını üç parçaya bölmek için kullanılabileceğini gösterdi. Bundan sonra, genellikle “ara pencere” olarak bilinen ve Blum’un hesaplamanın HVP’nin tamamından daha basit ve daha hızlı olduğunu iddia ettiği orta bölüme odaklandılar.
Ara pencere ayrıca belirli bir kafes simülasyonunun saha ayrımlarının büyüklüğü ve hata düzeltme metodolojileri gibi özelliklerine daha az bağımlıdır. El-Khadra, bunun, ara pencere HVP hesaplamalarını “hesaplamaların yanlış gidebileceği tüm durumlara karşı çok daha az duyarlı” hale getirdiğini açıklıyor.
Ara pencere HVP değeri şu anda kafes yöntemi kullanılarak bağımsız olarak sekiz kez hesaplanmıştır ve hepsi aynı fikirdedir. Ancak veriye dayalı yaklaşımın oluşturduğu ara pencere miktarı tahminiyle aynı fikirde değiller. Kafes ve veriye dayalı tekniklerden elde edilen tüm HVP tahminleri arasındaki fark, aslında kafes ve veriye dayalı pencere değerleri arasındaki farktan daha küçüktür.
Belirsizliklerin en küçük olduğuna inanılan bu orta bölgede kafes ve veriye dayalı tekniklerin birbirinden ayrıldığını ima ettiğinden Blum, pencere farkını “ciddi bir tutarsızlık” olarak adlandırıyor.
Küçük Sarsıntı
Kafes kampında son iki yılda daha fazla anlaşma görülürken, veri odaklı kampta da çatışmalar yaşandı. 2 GeV’den daha düşük enerjilerde çalışan ve dolayısıyla HVP hesaplamalarıyla doğrudan ilgili olan VEPP-2000 çarpıştırıcısından gelen elektron-pozitron çarpışmalarına ilişkin veriler, Şubat 2023’te Rus CMD-3 İşbirliği tarafından yayımlandı. BaBar ve KLOE’den gözlemler Deneylerin yanı sıra CMD-2 ve SND’den elde edilen veriler CMD-3 sonuçlarıyla çelişmektedir. El-Khadra’ya göre “rapor küçük bir depreme neden oldu.”
En son CMD-3 sonuçları, 30 milyondan fazla hadron üreten olayla, önceki deneylerden çok daha büyük bir numune boyutuna dayanmaktadır. Birleşik Krallık’taki Liverpool Üniversitesi’nden CMD-3 ekip üyesi Fedor Ignatov, “Şu anda CMD-3 sonucu en yüksek istatistiksel kesinliğe sahip” diyor. CMD-3’ün sonuçları ile daha önceki denemelerin sonuçları arasında KLOE ile %5’e varan önemli bir tutarsızlık olduğuna inanıyor.
Bu anlaşmazlığın nereden kaynaklandığı şu anda belirsiz. Ignatov, “Şu anda yalnızca spekülasyon yapabiliriz” diyor. CMD-3 İşbirliği, tutarsızlığın kaynağının dedektör etkileri olma ihtimalini araştırdı ve bu sorunu potansiyel olarak çözmek için bir ekipman güncellemesi planlıyor. Çarpışma verilerini incelemek için kullanılan Monte Carlo teknikleri de hatalı olabilir.
Daha yaygın olarak kullanılan Monte Carlo yöntemlerinden biriyle ilgili potansiyel bir sorun, yakın zamanda Davier ve meslektaşları tarafından vurgulandı [6], bu, elektron-pozitron çarpışma verilerindeki bazı tutarsızlıkları açıklamaya yardımcı olabilir.
Veriye dayalı yaklaşımı güçlendirmek amacıyla bilim insanları tarihsel verileri incelemek için daha fazla çalışıyor. Davier, on yıl önce kapatılan BaBar’ın analiz edilmemiş verilerini incelemeye başladı. Ignatov, yine tamamlanmış olan KLOE deneyinde saklanan verileri kullanan ilgili bir projede yer alıyor. Ayrıca Japonya’daki Belle-II ve Çin’deki Pekin Spektrometresi III’te elektron-pozitron deneyleri yürütülüyor; ancak bu deneylerin bulguları birkaç yıl boyunca bilinmeyecek.
BaBar veri analizinin bu yılın sonlarında yayınlanması bekleniyor ve KLOE veri analizinin de muhtemelen bir veya iki yıl sonra yayınlanması bekleniyor. Ignatov, “Belki bir veya iki yıl içinde bazı açıklamalar ortaya çıkacaktır” diye tahminde bulunuyor.
Blum’a göre ekibi, kafes tarafındaki HVP hesaplamasını BMW İşbirliği ile elde edilen aynı %1’in altındaki hassasiyetle tamamlamayı hedefliyor. Bu yılın ilk yarısında sonuçları paylaşmayı planlıyor. El-Khadra’ya göre bu yıl kafes grubu ayrıca eksiksiz bir HVP kafes hesaplaması yayınlayacak. Blum’a göre “kafes topluluğu yoluna devam ediyor.”
Peki yeni fiziğin geleceği ne getirecek? Henüz kimse varsayımda bulunmak istemiyor. Ancak Blum ve El-Khadra, mevcut kafes tahminlerine oldukça yakın olduğu ortaya çıksa bile, deneysel sonuçlar ile nihai teorik tahmin arasında yine de bir fark olacağına işaret ediyor. Dahası, teorisyenlerin her zaman iki temel hesaplama yönteminin sonuçlarının neden bu kadar farklı olduğunu açıklaması gerekecektir. Blum ise “Hiç kötümser değilim” diye yanıt veriyor. “Yapılacak çok etkileyici bir keşif olacak.”
Kaynak: https://physics.aps.org/articles
