_ Studiind muonium pentru a dezvălui o nouă fizică dincolo de Modelul Standard

Prin studierea unui atom exotic numit muonium, cercetătorii speră că muonii care se comportă neadecvat vor revărsa boabele pe Modelul Standard al fizicii particulelor. Pentru a produce muonium, ei folosesc cel mai intens fascicul continuu de muoni de energie joasă din lume la Institutul Paul Scherrer PSI. Cercetarea este publicată în Nature Communications.

Muonul este adesea descris ca fiind vărul greu al electronului. O descriere mai potrivită ar putea fi relația sa necinstită. De când descoperirea sa a declanșat cuvintele „cine a ordonat asta” (Isidor Isaac Rabi, laureat al Premiului Nobel), muonul i-a zăpăcit pe oamenii de știință cu trăsăturile sale care încalcă legea.

Cea mai faimoasă contravenție a muonului este să se clătinească și el ușor. mult într-un câmp magnetic: momentul său magnetic anormal a ajuns în prima pagină cu experimentul 2021 cu muon g-2 de la Fermilab. De asemenea, muonul a cauzat probleme în mod deosebit atunci când a fost folosit pentru a măsura raza protonului, dând naștere la o valoare extrem de diferită față de măsurătorile anterioare și ceea ce a devenit cunoscut sub numele de puzzle-ul razei protonului.

Totuși, în loc să fie pedepsit. , muonul este prețuit pentru comportamentul său surprinzător, ceea ce îl face un candidat probabil pentru a dezvălui o nouă fizică dincolo de Modelul standard.

În scopul de a înțelege comportamentul ciudat al muonului, cercetătorii de la PSI și ETH Zurich s-au îndreptat către un atom exotic cunoscut sub numele de muonium. Format dintr-un muon pozitiv orbitat de un electron, muonium este similar cu hidrogenul, dar mult mai simplu. În timp ce protonul hidrogenului este format din quarci, muonul pozitiv al muoniumului nu are substructură. Și asta înseamnă că oferă un sistem model foarte curat din care să rezolvi aceste probleme: de exemplu, prin obținerea unor valori extrem de precise ale constantelor fundamentale, cum ar fi masa muonului.

„Cu muonium, pentru că noi poate măsura proprietățile sale atât de precis, încât putem încerca să detectăm orice abatere de la Modelul Standard. Și dacă vedem acest lucru, putem deduce apoi care dintre teoriile care merg dincolo de Modelul Standard sunt viabile sau nu", explică Paolo Crivelli de la ETH. Zurich, care conduce studiul susținut de un grant Consolidator al Consiliului European de Cercetare în cadrul proiectului Mu-MASS.

Numai un singur loc în lume este posibil

O majoră provocarea de a efectua aceste măsurători foarte precis este acela de a avea un fascicul intens de particule de muonium, astfel încât erorile statistice să poată fi reduse. A face o mulțime de muonium, care durează, întâmplător, doar două microsecunde, nu este simplă. Există un loc în lume în care sunt disponibili destui muoni pozitivi la energie scăzută pentru a crea acest lucru: Sursa de muoni elvețian de la PSI.

„Pentru a produce muonium în mod eficient, trebuie să folosim muoni lenți. Când apar prima dată. produse merg cu un sfert din viteza luminii. Apoi trebuie să le încetinim cu un factor de o mie fără a le pierde. La PSI, am perfecționat această artă. Avem cea mai intensă sursă continuă de scăzut muoni de energie din lume. Așa că suntem în poziție unică pentru a efectua aceste măsurători”, spune Thomas Prokscha, care conduce grupul de muoni de energie joasă de la PSI.

La linia de lumina Muoni de energie scăzută, muonii lenți trec prin o țintă din folie subțire de unde preiau electroni pentru a forma muonium. Pe măsură ce apar, echipa lui Crivelli așteaptă să le cerceteze proprietățile utilizând spectroscopie cu microunde și laser.

Schimbarea minusculă a nivelurilor de energie ar putea deține cheia

Proprietatea muoniumului pe care cercetătorii o sunt capabile. a studia atât de detaliat este nivelul de energie. În publicația recentă, echipele au putut măsura pentru prima dată o tranziție între anumite subniveluri energetice foarte specifice în muonium. Izolată de alte așa-numite niveluri hiperfine, tranziția poate fi modelată extrem de curat. Capacitatea de a-l măsura acum va facilita alte măsurători de precizie: în special, pentru a obține o valoare îmbunătățită a unei cantități importante cunoscute sub denumirea de Lamb shift.

Deplasarea Lamb este o schimbare minusculă a anumitor niveluri de energie în hidrogen în raport cu locul în care „ar trebui” să fie, așa cum este prezis de teoria clasică. Schimbarea a fost explicată odată cu apariția electrodinamicii cuantice (teoria cuantică a modului în care lumina și materia interacționează). Totuși, așa cum sa discutat, în hidrogen, protonii - care posedă o substructură - complică lucrurile. O deplasare Lamb ultra-precisă măsurată în muonium ar putea pune la încercare teoria electrodinamicii cuantice.

Există mai mult. Muonul este de nouă ori mai ușor decât protonul. Aceasta înseamnă că efectele legate de masa nucleară, cum ar fi modul în care o particulă se retrage după absorbția unui foton de lumină, sunt îmbunătățite. Indetectabil în hidrogen, o cale către aceste valori cu precizie ridicată în muonium ar putea permite oamenilor de știință să testeze anumite teorii care ar explica anomalia muonului g-2: de exemplu, existența unor noi particule, cum ar fi bosonii scalari sau vector gauge.

Punerea muonului pe cântar

Oricât de interesant ar fi potențialul acestui lucru, echipa are un obiectiv mai mare în vizor: cântărirea muonului. Pentru a face acest lucru, ei vor măsura o tranziție diferită în muonium la o precizie de o mie de ori mai mare decât oricând înainte.

O valoare de precizie ultra-înaltă a masei muonilor - obiectivul este de 1 parte pe miliard - va sprijină eforturile continue de a reduce și mai mult incertitudinea pentru muon g-2. „Masa muonilor este un parametru fundamental pe care nu-l putem prezice cu teorie și astfel, pe măsură ce precizia experimentală se îmbunătățește, avem nevoie disperată de o valoare îmbunătățită a masei muonilor ca element de intrare pentru calcule”, explică Crivelli.

Măsurarea ar putea duce, de asemenea, la o nouă valoare a constantei Rydberg - o constantă fundamentală importantă în fizica atomică - care este independentă de spectroscopia hidrogenului. Acest lucru ar putea explica discrepanțe între măsurători care au dat naștere puzzle-ului razei protonilor și poate chiar să o rezolve o dată pentru totdeauna.

Spectroscopia cu muonium gata să zboare cu proiectul IMPACT

Având în vedere că Principala limitare pentru astfel de experimente este producerea de suficient muonium pentru a reduce erorile statistice, perspectivele pentru această cercetare la PSI arată strălucitoare.

„Cu fasciculele de muoni de mare intensitate planificate pentru proiectul IMPACT, am putea deveni un factor de cu o sută mai mare în precizie, iar acest lucru ar deveni foarte interesant pentru modelul standard”, spune Prokscha.

(Fluierul)