Het Muon g-2 experiment is met nieuwe resultaten gekomen – hoe interpreteren we die?

Credit: Fermilab

Donderdag j.l. zijn de nieuwste resultaten bekend gemaakt van het Muon g-2 experiment van het Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) in de VS. Bij dat experiment wordt in een grote ring van 14 meter doorsnede (zie foto hierboven) een soort van deeltjessoep gecreëerd, waarin naast echte elementaire deeltjes ook zogeheten virtuele deeltjes ontstaan, kortlevende paren van deeltjes en hun antideeltjes, die na zeer korte tijd weer annihileren en zich omzetten in licht. Die soep is afgelopen tien jaar al vaker geproduceerd en wat daarbij opviel was dat er bij de muonen een soort van anomalie optrad, het magnetische moment van het muon lijkt ietsje pietje af te wijken van de voorspelde waarde volgens het Standaard Model (SM), het model dat de natuurkundigen beschouwen als dé beschrijving van de elementaire deeltjes en de krachten die daartussen plaatsvinden. Het is die anomalie waar het Muon g-2 experiment zich de laatste paar jaren mee bezig hield en waar we in 2021 de resultaten van kregen en nu op 10 augustus 2023 weer. Hieronder de (best wel cryptische) resultaten die donderdag gepubliceerd zijn over g-2, één van de parameters is waar natuurkundigen opgewonden van worden.

Credit: FNAL

Muonen lijken qua gedrag op elektronen (met het tau deeltje allemaal leptonen), al zijn ze zo’n 207 keer zwaarder én zijn ze instabiel – na 2,2 μs vervallen ze in een elektron en twee neutrino’s. In de buurt van een magneet (sterkte 1,45 Tesla) gaan ze iets wiebelen, een wiebel of tolbeweging die afhangt van het magnetische moment van het muon, iets dat ze aangeven met de letter g (van gyromagnetische verhouding) en dat in theorie exact 2 zou moeten zijn. In werkelijkheid is g géén 2 en dat komt omdat het muon omgeven wordt door zo’n wolk van virtuele deeltjes, welke voorspeld is door kwantum-theorieën. De million dollar question is daarom: hoe groot is g-2 en wordt dat enkel bepaald door virtuele deeltjes die zich gedragen conform SM of wellicht ook door deeltjes die we niet kennen, deeltjes conform BSM, beyond standard model? Het resultaat dat donderdag naar buiten kwam was:

g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (stat.) +/- 0,00000000019 (syst.)

met een onzekerheid van 0,20 delen per miljoen. Of anders gezegd, a = (g−2)/g = 116 592 059(22) × 10−¹¹ (0,19 ppm), zoals in de afbeelding hierboven te zien valt. Hier de PDF met het vakartikel over de laatste resultaten. Fermilab had er de volgende video over:

Afijn, de hamvraag is natuurlijk hoe we deze cijfers moeten interpreteren? Welnu, daarvoor moeten we even de diepte induiken en kijken hoe die wolk van virtuele deeltjes bijdraagt aan het magnetische moment van het muon. Er blijken twee componenten te zijn, die daaraan een bijdrage leveren, te weten de hadronische vacuümpolarisatie (HVP) en de light-by-light hadronische verstrooiing (HLbL), vergeef mij de technische benamingen van de dames en heren natuurkundigen. De gemeten g-2 wijkt sterk af van de SM-waarde en wel met een statistische betrouwbaarheid van 5,1σ, da’s genoeg om te spreken van een wetenschappelijk bewijs voor een waarneming die afwijkt van SM. Probleem is alleen dat die twee bijdragen aan de g-2 anomalie zo verschillend zijn en dat ze elk hun eigen foutenmarge hebben. Theoretisch is vooral die HVP erg ingewikkeld, want er zijn twee manieren om die te berekenen en niet duidelijk is welke manier nou de juiste is. En daardoor is op dit moment niet precies bekend wat nou precies de SM-voorspelling voor G-2 is. De meting is dus weliswaar zeer nauwkeurig gedaan, maar de SM-maatstaf om die meting mee te vergelijken is er niet en daarmee kan die 5,1σ betrouwbaarheid ook zo maar dalen.

Artistieke voorstelling van Fermilab. Credit: FNAL.

Men denkt dat zomer 2024 meer duidelijkheid gegeven kan worden over de juiste theoretische waarde die g-2 moet hebben, omdat dan ook van andere experimenten resultaten bekend zijn. De vraag is alleen of iedereen daar het geduld voor heeft. Nu al zie je dat verschillende media de metingen hebben opgepikt en spreken ze soms in alle opwinding al van nieuwe natuurkunde, van het bestaan van een vijfde natuurkracht op grond van de nu gepresenteerde resultaten, zoals de BBC doet en ook NU.nl. Mijns inziens is het daar nu nog te vroeg voor en moeten we eerst de discussie over de juiste SM-waarde van g-2 afwachten én de uitkomsten van andere experimenten (zoals het Russische CMD-3 experiment, BABAR en BESIII).

The issue with g-2 is that there are 2 ways to determine the SM prediction. The 1st relies on measurements on e+e- ->hadrons and is in 5 sigma disagreement

The 2nd is a lattice calculation and agrees with the measurement

If the 1st is correct it would be a sign of new physics https://t.co/bMs9o8XqQU

— Martin Bauer (@martinmbauer) August 10, 2023

Bron: Phys.org + Francis Naukas.

Gerelateerde Astroblogs:

Donkere fotonen kunnen goed de g-2 anomalie verklaren Zeldzaam verval van het Higgs boson zou kunnen wijzen op Nieuwe Natuurkunde