Elektronun Manyetik Momentinin Ölçümü, Standart Model İçin Şimdiye Kadarki En Katı Test Olabilir

Parçacık fiziğinin standart modeli, hem inanılmaz bir bilimsel başarı hem de fizikçilerin mücadele ettiği sinir bozucu bir engeldir. Bu kadar çok şeyi anlamak ve tahmin etmek çok önemliydi ancak aynı zamanda tamamlanmadığını da biliyoruz. Fakat ötesinde olanı bulmanın zor olduğu kanıtlanmıştır. En son ölçüm, bu hayal kırıklığını artırıyor.

Araştırmacılar, elektronun manyetik momentinin şimdiye kadarki en hassas ölçümünü sağladılar. Ölçüm, aynı ekip tarafından elde edilen önceki rekordan 2,2 kat daha kesin. Manyetik moment, bir parçacığın bir manyetik alanla hizalanma eğilimidir ve temel parçacıklar söz konusu olduğunda, bu, standart modelin oldukça doğru bir şekilde tahmin ettiği bir şeydir.

Bu başarı, tek bir elektronun, Dünya'nın manyetik alanından kabaca 100.000 kat daha güçlü olan 5 Tesla'lık bir manyetik alana maruz kaldığı Penning Tuzağı adı verilen bir sistemde tutulmasıyla mümkün oldu. Sistem, elektronun hareketinin kuantize edilmesi için mutlak sıfıra yakın soğutuldu.

Bu ölçümde önemli olan spin g faktörüdür. Başlangıçta, kuantum mekaniğinin Dirac denklemlerine dayanarak bu değerin 2'ye eşit olduğuna inanılıyordu. Güzel yuvarlak bir sayı. Ancak daha fazla analiz, evrenin çok daha karmaşık olması nedeniyle aslında biraz daha yüksek olduğunu öne sürdü (hepsi kuantum elektrodinamiğindeki sanal fotonlarla ilgili), bu nedenle g-2 değeri anormal manyetik dipol momenti olarak kullanıma girdi.

Anormal manyetik dipol momenti, standart model için harika bir test ortamıdır. Ve tüm yüklü leptonlar için ilginçtir: elektronlar, müonlar ve tau parçacıkları. Müonlar ve tau tıpkı elektronlar gibidir, ancak çok daha ağırdır. Kütleleri dışında temel fark, elektron kararlıyken müonun 2,2 mikrosaniyede bozunması ve tau'nun bozunmasının bundan 10 milyon kat daha kısa olmasıdır.

Müon için g-2 ölçümü söz konusu olduğunda, eldeki en iyi veriler onun Standart Modelden saptığını gösteriyor. Sapmanın standart modelin ötesinde fiziğin bir göstergesi olup olmadığını doğrulamak için analizler devam ediyor. Müon, elektrondan çok daha büyüktür, tam olarak 207 kat. Yani yüklü leptonlarla etkileşen standart modelde öngörülemeyen bir kuvvet veya parçacık varsa, etki müonlarda çok daha belirgindir.

Ancak bu yeni ölçüm, elektron g-2 değerine yeni bir hassasiyet düzeyi getiriyor. Trilyonda 0.13 göreceli doğruluk elde ettiler. Bu, müon için aynı değerden yaklaşık 3.000 kat daha küçük, ancak yine de bir tutarsızlık görmek için yeterli değil. Yine de farklı bir ölçüm, aradaki farkı kapatmaya ve bu değeri 10 kat daha iyi hale getirmeye yardımcı olabilir. İnce yapı sabiti için daha iyi bir sayı.

Basitçe α olarak bilinen bu sayı kabaca 1/137'dir ve o kadar çok fizik yasasında bulunur ki, Güneş'in neden parladığını ve ekmeğin neden çoğunlukla tereyağlı tarafa düştüğünü anlamaya çalışırken karşılaşırsınız. Ancak bu sabiti tam olarak belirlemeyi amaçlayan en doğru iki yaklaşım, biraz farklı sayılar elde etmektir. Fark küçüktür, ancak elektronun anormal manyetik dipol momentinin ölçümünü, teoride tahmin edilen değerle bir fark olup olmadığını görecek kadar hassas hale getirir. Bu iki grup arasındaki bu farklılığın giderilmesi için çalışmalar devam ediyor ve heyecan hissedilmekte.

İnce yapı sabitini daha yüksek hassasiyetle belirlemeye çalışan ekipten biri olan Profesör Saïda Guellati-Khelifa, yeni araştırma hakkında bir Bakış Açısı’nda, "Tüm bu gelişmeler, elektronun yeni fiziğe bir pencere açmak için hiç bu kadar iyi hazırlanmadığını gösteriyor." diye yazdı.

Elektronun manyetik momentinin ölçümüyle ilgili makale Physical Review Letters'ta yayınlandı.

Bu içerik IFLSCIENCE’da yayınlanmıştır.