מדידות משונות של המיואון עוררו במשך שנים תקווה שמסתתר שם גורם פיזיקלי לא מוכר. אך כעת מסתמן שחישוב הערך התיאורטי עצמו היה שגוי
המודל הסטנדרטי הוא שמה של תיאוריה מקיפה בפיזיקה, שפותחה במהלך המאה ה-20 ונחשבת לאחד ההישגים המשמעותיים ביותר של המדע בן זמננו. המודל מתאר את החלקיקים היסודיים ביותר הקיימים ביקום ואת יחסי הגומלין (אינטראקציות) ביניהם. ביחסים האלה מעורבים הכוח האלקטרומגנטי, שבין השאר מאפשר לכל מכשירי החשמל שלנו לפעול, ושני כוחות נוספים, שנקראים הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש. גדולתו של המודל היא ביכולתו לספק תחזיות מדויקות רבות וניתנות למדידה. בין השאר המודל ניבא את קיומו של חלקיק בוזון היגס המפורסם, שאכן התגלה לבסוף בשנת 2012 במאיץ החלקיקים הענק ב-CERN שבשווייץ.
עם זאת, המודל הסטנדרטי עדיין אינו שלם. הוא אינו כולל תיאור לכבידה, ולא מספק תשובות לשאלות מרכזיות הניצבות בפני הפיזיקה של המאה ה-21. למשל מהו טיבו של החומר האפל החמקמק שממלא את הגלקסיות שלנו, אך אינו מקיים יחסי גומלין עם החלקיקים שאנו מכירים מהמודל הסטנדרטי. לכן עולם הפיזיקה מפנה בשנים האחרונות מאמצים רבים למדוד בצורה כמה שיותר מדויקת את תחזיות המודל הסטנדרטי. התקווה היא שתימצא כך סטייה מתחזיות המודל, דבר שעשוי להעיד על קיומם של עקרונות פיזיקליים חדשים שאיננו מכירים עדיין ולהצביע לנו על הכיוון שבו הם עשויים להימצא.
אחד החלקיקים היסודיים במודל הסטנדרטי הוא המיואון, שדומה לאלקטרון אך כבד ממנו ואינו יציב. לשניהם יש תכונה בשם מומנט מגנטי, שהופכת אותם למעין מגנטים זעירים. מדידות רבות של המומנט המגנטי של המיואון מצאו שערכו שונה ממה שמנבאת התיאוריה של המודל הסטנדרטי. אין פלא, אם כן, שחקירת המומנט המגנטי של המיואון עומדת בלב המאמצים לפרוץ את גבולות המודל הסטנדרטי. אולם כעת מחקר חדש שופך מים צוננים על התקווה שהפער בין התיאוריה לניסויים יפתח לנו דלת לגילויים פיזיקליים חדשים. נראה כי החישובים התיאורטיים המדויקים יותר שלו מצליחים ליישב את הסתירה.
לא מספק תשובות לשאלות מרכזיות הניצבות בפני הפיזיקה של המאה ה-21. המודל הסטנדרטי של חלקיקים תת-אטומיים | alionaprof, Shutterstock
מורכב יותר מהאלקטרון
בפיזיקה הקלאסית, כששדה מגנטי מקיים אינטראקציה עם מגנט, הוא מפעיל כוח על המגנט – כך השדה המגנטי של כדור הארץ מזיז את המחט במצפן, למשל. בפיזיקת הקוונטים, העוסקת בחלקיקים זעירים, התמונה שונה במקצת. כשרוצים לדבר על שדה מגנטי שפועל על אלקטרון, מתכוונים בעצם לאינטראקציה בין האלקטרון לבין פוטון – חלקיק האור, שנושא את הכוח האלקטרומגנטי.
האינטראקציה הפשוטה ביותר היא המצב שבו האלקטרון בולע לתוכו את הפוטון ומקבל את האנרגיה והתנע שלו. קיימות גם אינטראקציות אלקטרומגנטיות מורכבות יותר, וכדי לחשב את המומנט המגנטי של האלקטרון צריך לקחת בחשבון את כל האינטראקציות האפשריות. עם זאת, ככל שהאינטראקציה מורכבת יותר, המשקל שלה בחישוב קטן יותר. לכן, מבחינה מעשית אנו יכולים לחשב את המומנט המגנטי ברמת דיוק גבוהה ביותר, גם בלי לעקוב אחרי אין-ספור האינטראקציות האפשריות שלו. ואכן, המומנט המגנטי של האלקטרון נמדד בניסויים ונמצא מתאים למודל הסטנדרטי.
המיואון הוא סיפור אחר לגמרי. המסה הגדולה שלו, בהשוואה לאלקטרון, מאפשרת לו להיות מעורב באינטראקציות נוספות פרט לכוח האלקטרומגנטי. כלומר גם הכוח החזק והכוח החלש משחקים תפקיד בקביעת ערך המומנט המגנטי. הכוח החזק הוא כוח בעייתי, כיוון שבמקרה שלו גם אינטראקציות מורכבות עשויות להיות משמעותיות. העובדה הזאת מקשה מאוד על חישוב המומנט המגנטי של המיואון.
תוצאות הניסויים שנעשו בעבר למדידת המומנט המגנטי של המיואון חרגו מטווח התחזית התיאורטית. הניסוי המתקדם ביותר שנערך למטרה הזאת היה ניסוי מיואון g-2, שהתקיים במעבדת פרמילאב ליד שיקגו. בניסוי האיצו פרוטונים – חלקיקים שנמצאים בגרעיני כל היסודות ביקום – למהירויות גבוהות במיוחד שהעניקו להם הרבה מאוד אנרגיה, והטיחו אותם במטרה נייחת עשויה גרפיט. ההתנגשות הובילה בין השאר ליצירת מיואונים.
את המיואונים שהתקבלו הזינו למסלול טבעתי שבו הופעל עליהם שדה מגנטי עז. כיוון שהמיואון הוא חלקיק בלתי יציב, הוא דועך בסופו של דבר לחלקיקים קלים יותר. בעזרת גלאים שעוקבים אחרי אופי הדעיכה, אפשר למדוד את המומנט המגנטי של המיואון. התוצאות העדכניות ביותר של הניסוי, שפורסמו בשנת 2023, איששו שוב את אותה חריגה מהמודל הסטנדרטי.
סרטון שמסביר את ניסוי המיואון g-2:
חישוב הערך התיאורטי
לפני כמה חודשים החליטה קבוצה גדולה של חוקרים ממוסדות רבים לתקוף את הבעיה מזווית אחרת. אם המדידות בניסויים עקביות, אולי חישוב הערך התיאורטי עצמו שגוי? במאמר הם שיתפו פעולה כדי לחשב טוב יותר את הערכים התיאורטיים.
לצורך החישוב הם חילקו את המרחב-זמן לסריג שבו כל נקודה מייצגת חלקיק, והקשרים בין הנקודות מייצגים את האינטראקציות ביניהם. ככל שהסריג גדול יותר והנקודות צפופות יותר, החישוב יהיה מדויק יותר. השיטה דורשת כוח חישוב רב, ולכן היא החלה לשאת פירות רק בשנים האחרונות, כשהופיעו מחשבים שמסוגלים להתמודד עם האתגר. בזכות זה יכלו החוקרים להשתמש בסריגים צפופים יותר מבעבר, ואכן קיבלו לראשונה ערך תיאורטי של המומנט המגנטי של המיואון שמתאים לתוצאות הניסויים.
האם זה אומר שפריצת הדרך הדרושה בפיזיקה לא תעבור בסופו של דבר דרך המומנט המגנטי של המיואון? התוצאה שהתקבלה בהחלט לא נראית מעודדת עבור מי שהשקיעו את מאמציהם בכיוון הזה. נראה שהמודל הסטנדרטי שוב הוכיח את עמידותו ואת עוצמתו התיאורטית. נצטרך לחכות ולראות מה יעלו חוקרים אחרים שעוסקים בנושא, ואם גם הם יגיעו לאותה מסקנה. הפיזיקה החדשה תימצא כנראה במקום אחר, ואולי מכיוונים שלא העלינו עד כה על דעתנו.
סרטון שמסכם את תוצאות ניסוי מיואון g-2:
