Beşinci Kuvvete Adım Adım: Yeni Müon Hesaplamaları, Fiziğin Henüz Keşfedilmemiş Yönlerine İşaret Ediyor!

Elektronun ağır bir kuzeni olan müonların hareketleri üzerine yapılan deneyler, bildiklerimizle uyuşmuyor ve fiziğin henüz keşfedilmemiş yönlerine işaret ediyor gibi görünüyor.

New York'taki Brookhaven Parçacık Hızlandırıcısının bir anomaliye dair ilk kanıtları raporlamasından yaklaşık 20 yıl sonra, Müon g-2 İş Birliği ile birlikte çalışan yüzlerce bilim insanı, müonun elektromanyetik alandaki hareketlerinin en son ölçümünü kamuoyuna duyurdu.^{[1], [2]}

ABD Enerji Bakanlığına ait Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı sayesinde toplanmış oldukça önemli miktardaki veriye dayanan yeni analize göre beklenen değerlerle ölçüm sonuçları arasında 116592055×10−11116 592 055 \times10^{-11}116592055×10−11'lik bir fark bulunuyor.

Bu, elbette çok küçük bir fark, ancak yeni keşiflere yol açması da muhtemel. Milyonda 0.2 birimlik bir hassasiyetle yapılan analiz öyle yüksek bir hassasiyette ki 4000 kilometrelik bir mesafeyi 1 metreden az bir hata payıyla ölçmeye benzetilebilir. Illinois'deki Argonne Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan Peter Winter, bu konuda şunları söylüyor:^[2]

Bu ölçüm, deneysel anlamda inanılmaz bir başarı. Sistematik belirsizliği bu kadar düşük bir seviyeye indirmek büyük bir iş ve bu kadar kısa sürede başarılmasını beklemiyorduk.

Müon Anomalisi Nedir?

Müonlar, ortalama olarak iki mikrosaniyeden biraz daha uzun süre yaşıyorlar. Ancak var oldukları bu kısa süre içinde bir elektrona çok benzere şekilde hareket ediyorlar, elektromanyetizma akımları onları "manyetik moment" olarak bilinen şeye karşı iterken ileri geri yalpalıyorlar.^[3] Aslında fizikçilerin müonların elektromanyetik alanda nasıl hareket etmesi gerektiğine dair gayet iyi bir fikirleri var; hatta bu hareketi, yani "jiromanyetik oranı" tanımlamak için $g$ harfini kullanıyorlar.

Sadece elektromanyetizma ritminin ve bir müonun bulunduğu bir dans pistinde, teorik olarak yapılacak her dönüş tahmin edilebilir ve $g$ değeri 2 çıkar. Ancak kuantum dans pisti, varoluşun eşiğinde asılı duran sanal parçacıklarla dolu, oldukça kaotik bir alandır. Nesnelerin bu belirsiz durumu, müonu hafifçe iteler ve yaptığı dansın çarpıklaşmasına neden olur. Ayrıca bu nesnelerin varlığı, $g$'nin 2'den biraz daha büyük bir değere sahip olması gerektiğini gösterir. Çünkü mantıken $g$'den 2 çıkardığımızda elimizde bu kuantum itişmelere işaret eden bir şey kalmalıdır.

Bildiğimiz kurallara göre, her kuantum parçacığının ve bunun kendine özgü hareketlerinin Standart Model'de bulunması gerekir. Hatta bunları toplayarak müonun gerçek hareketini tanımlayacak tek bir sayı ortaya çıkarabiliriz. Gelin görün ki, hesaplanabilen bu sayı 20 yıl kadar önce Brookhaven'da yürütülen deneylerde ölçülenden farklı. Dahası bu sayı, araştırmacıların 2018'de bir dizi çarpışma sırasında Fermilab'in ekipmanlarını kullanarak ölçtüğü sayıyla da uyuşmuyor!^[4]

Bu Ne Anlama Geliyor?

Parçacık fiziğinde ölçümler ve beklentiler arasındaki farklar genelde 3 şeyden birine işaret eder: Bu uyumsuzluk ya istatistiksel verilerde bir düzensizliktir, ya deneysel bir hatadır ya da teoride bir boşluk vardır. İhtimallerden üçüncüsü, yani Standart Model'de doldurulması gereken bir boşluk olma ihtimali, elbette en ilgi çekici olanı.

Aslında karanlık enerji ve karanlık madde gibi fenomenlerin Standart Model ile henüz açıklanamaması, bu modelde bazı hatalar olduğundan şüphelenmek için yeterli. Müon g-2 İş Birliğinin Fermilab'ın parçacık hızlandırıcısında 2019 ve 2020 yıllarında yapılan ölçümlere dayanarak g-2 sayısını doğrulaması, henüz tanımlanmamış parçacık ve kuvvetlerin varlığından daha da emin olmamızı sağlıyor.

Önümüzdeki yıllarda bu iş birliği geçmiş deneylerin sonuçlarıyla daha yeni verileri birleştirerek kesinliğin yüksek standartlarına ulaşabilecek ve fiziği sonsuza dek değiştirecek güçlü bir teori oluşturmaya çalışacak.