داخل خزانة مقفلة، مغلف يحمل رقمًا كان مهيئًا لإحداث ثورة في مجتمع الفيزياء ، بغض النظر عن محتوياته. القيمة ، قياس الساعة مخفي عن عمد لإبقاء تحليل بيانات الفيزيائيين غير متحيز ، يمكن استخدامه في حساب يمكن إما أن ينهي أحد الألغاز الأولى لفيزياء الجسيمات – أو يأخذها إلى أعمق. في مكالمة فيديو حديثة ، اجتمع 170 عالمًا لمشاهدة فتح المغلف.

قالت سودشنا جانجولي ، العالمة المشاركة في Fermilab: “عندما رأينا الرقم على الشاشة ، شعرنا بارتياح كبير ، وإثارة ، وفخر ، وفرح”. “كان علينا إعادة الصوت من أجل الصراخ.”

اليوم ، أصدر فريق العلماء العالمي في تجربة Muon g-2 التابعة لـ Fermilab واحدة من أكثر القياسات المتوقعة في فيزياء الجسيمات ، والتي تصف سلوك ابن عم الإلكترون الأثقل ، الميون ، في المجال المغناطيسي. إذا أكد المزيد من العمل نتائجهم ، فسوف يتعامل الباحثون مع تناقض غير مبرر بين عملهم التجريبي والنظرية الأساسية لفيزياء الجسيمات ، النموذج القياسي.

يقوم الفيزيائيون بإجراء قياسات عالية الدقة لخصائص الجسيمات كوسيلة لاستكشاف أسس الكون. تعتبر العزم المغناطيسي إحدى هذه الخصائص ، حيث تصف كيف تتحرك الجسيمات ، أو تتأرجح مثل قمة الغزل المتعثرة ، في وجود مجال مغناطيسي. أشارت القياسات السابقة في مختبر Brookhaven الوطني في نيويورك إلى أن قياسات العزم المغناطيسي للميون قد لا تتفق مع تنبؤات النموذج القياسي. اليوم ، أعلن Muon g-2 Collaboration أنهم قاسوا ، بدقة متناهية ، قيمة تتفق بشكل وثيق مع قيمة Brookhaven – لا تزال في خلاف مع النموذج القياسي. مجتمعة ، القياسات التجريبية لا تتفق الآن مع حسابات النموذج القياسي بنسبة 4.2 الانحرافات المعيارية.

هذا التناقض ليس قوياً بما يكفي لتلبية الانحرافات المعيارية الخمسة (المسماة “خمسة سيجما”) المعلم الإحصائي الذي يستخدمه علماء فيزياء الجسيمات للدلالة على ما إذا كانوا قد اكتشفوا شيئًا ما حقًا. خمسة سيجما تعني أن احتمالات اتباع الجسيمات لقواعد النموذج القياسي لإنتاج القيمة المقاسة بعد مدة التجربة قريبة واحد من 3.5 مليون. بعبارة أخرى ، إذا وصل المجربون إلى مستوى الثقة الخمس سيجما ، فيمكنهم التأكد تمامًا من أن النموذج القياسي يفتقد قطعة لشرح قيمة g-2 (تنطق gee-minus-2).

يعود تاريخ قصة قياس g-2 إلى عام 1928 ، عندما قام الفيزيائي بول ديراك بحساب العزم المغناطيسي للإلكترون ، g ، ليكون بالضبط 2. ومع ذلك ، أدت عمليات البحث الأعمق في الخاصية من قبل علماء الفيزياء مثل جوليان شوينجر إلى تصحيحات أصغر ، محسوبة على النحو التالي الفرق بين g و 2. اتبعت تجارب لقياس g-2 للميون ، أولاً عند مختبرات كولومبيا نيفيس و CERN ، ثم في مختبر Brookhaven الوطني ، الذي انتهى تعاونه من إجراء القياسات في عام 2001 وأصدر نتائجهم النهائية – ودليل على وجود تناقض – في عام 2004.

بعد عقد من الزمان ، نسق علماء المختبرات الوطنية لمواصلة الجهود ونقل الحلقة الهشة التي يبلغ طولها 50 قدمًا من تجربة Brookhaven’s g-2 من لونغ آيلاند ، نيويورك إلى فيرميلاب في إلينوي – أولاً على بارجة أسفل المحيط الأطلسي وأعلى نهر المسيسيبي ، ثم على ظهر شاحنة. أجرى العلماء التجربة في Fermilab منذ عام 2017.

تبدأ التجربة ببروتونات من مسرعات Fermilab ، محطمة في هدف ثابت ، مما ينتج المزيد من البروتونات بالإضافة إلى الشريك المضاد للميون المسمى antimuon (بشكل أساسي ، يتصرف الميون مثل صورة المرآة الخاصة به مع الشحنة المعاكسة) وجسيم آخر يسمى pion التي تتحلل إلى مضادات. يدور شعاع الميون هذا حول الحلقة الكهرومغناطيسية للتجربة بسرعة الضوء تقريبًا. طوال الوقت ، تبدأ الأنتيمون في التحلل من الحزمة كإلكترونات مضادة (تعرف أيضًا بالبوزيترونات) التي تصطدم بالكاشفات. يسمح قياس هذه البوزيترونات للعلماء بتحديد كيفية تصرف الأنتيمون في المجال المغناطيسي ، وبالتالي ما هي قيمة g-2 للأنتيمون. إن إنتاج Antimuons أسهل من إنتاج الميونات ، لكن قيمة g-2 ستكون هي نفسها لكليهما.

سبب التناقض غير واضح. قال جو ليكين ، الفيزيائي النظري ونائب مدير الأبحاث في Fermilab ، لـ Gizmodo في مكالمة فيديو: “ربما يكون جسيمًا يصعب إنتاجه”. إذا كان الأمر كذلك ، “يجب أن يظهر في مكان آخر ، مثل الملاحظات الكونية. أو ربما تم عرضه بالفعل في بياناتنا ونحتاج إلى إثارة هذا الأمر “. هناك الكثير من الألغاز والتناقضات الكونية التي لم يتم حلها – المادة المظلمة ، و توتر هابل، أو النتائج الأخيرة من CERN تجربة LHCb، على سبيل المثال لا الحصر ، قد يحاول المنظرون ربط تناقض muon g-2.

الباحثون عبر مجتمع فيزياء الجسيمات متحمسون للأخبار. قالت فريا بليكمان ، الأستاذة في فيزياء الجسيمات الأولية في جامعة فريجي في بروكسل: “حقيقة أن تجربتين مستقلتين على حد سواء ترى أكثر من ثلاثة انحرافات معيارية عن التوقع المعمول به ، يعني ، بقدر ما أشعر بالقلق ، أن القياس التجريبي سليم”. في رسالة Twitter مباشرة. “لكن الكرة الآن حقًا في ملعب علماء الفيزياء النظرية الذين يحسبون القيمة التي تتم مقارنتها بها.”

أمضى المنظرون العقدين الماضيين في محاولة لفهم هذا التناقض وما قد يسببه. يتساءل البعض عما إذا كان التناقض حقيقيًا على الإطلاق. ورقة واحدة مثيرة للجدل حسبت قيمة muon g-2 بطريقة مختلفة بدا أنها تفسر التناقض. قال كريس بولي ، المتحدث باسم تجربة Muon g-2 ، إنه حتى هذا الحساب ، إذا تم التحقق منه وقبوله من قبل المجتمع النظري الأوسع ، فإنه سيقدم مجموعة أخرى من التناقضات. أوضح بولي أن تجربة فيرميلاب ستكون ذات قيمة سواء كان التناقض حقيقيًا أم لا. يجب أن تتفق أي نظرية فيزيائية تحاول حل ألغاز الكون أيضًا مع قياسات الفريق الدقيقة.

بالطبع ، تحدى جائحة كوفيد -19 العلماء أيضًا. حدت احتياطات Covid-19 من عدد الباحثين الذين يمكنهم الجلوس داخل غرفة التحكم في التجربة. قال جانجولي: “عندما تقوم بتنسيق الجري خلال الأوقات العادية ، فأنت دائمًا في غرفة التحكم والقاعة التجريبية تخبر الناس بما يجب عليهم فعله”. لكن العام الماضي قلل من عدد الأشخاص الذين يمكنهم دخول القاعة التجريبية وإصلاح الأشياء عند كسرها. “كان القيام بذلك عبر تكبير يمثل تحديًا. ولكن في النهاية ، كان علينا أن نجعلها تعمل “.

قام الفريق بتشغيل ما في وسعهم من بعيد ، مثل العربة التي تعمل داخل التجربة من أجل تحديد مجالها المغناطيسي. وكان للتباعد الاجتماعي تأثير ضئيل على تحليل البيانات ؛ أوضح بولي أن الفريق يمثل علماء من دول حول العالم ، اعتادوا بالفعل على تنفيذ الكثير من أعمالهم عن بُعد.

اليوم ، يحتفل باحثو Muon g-2 Collaboration – لكن عملهم مقطوع عنهم. من خلال المزيد من التحليل والتحسينات والتشغيل التجريبي ، يخطط الفريق لمواصلة تقليل الخطأ التجريبي من أجل حساب قيمة muon g-2 الأكثر دقة.

قال جانجولي: “حتى الآن ، قمنا بتحليل 6٪ فقط من البيانات ، وعندما نجمع نتائج جميع عمليات التشغيل ، سنحصل على قياس أفضل”. “إنه لأمر مثير للغاية أن تكون جزءًا من هذا.”