لعقود، ظل الفيزيائيون يحدقون في جسيم دون ذري صغير يُدعى الميون ويهمسون بحماس عن قوة خامسة محتملة للطبيعة. الآن، قام فريق بحث دولي بقيادة فيزيائي من جامعة ولاية بنسلفانيا بصب الماء البارد على القضية بأكملها. تشير نتائجهم، المنشورة في مجلة نيتشر، إلى أن التناقض الذي لوحظ منذ فترة طويلة في السلوك المغناطيسي للميون لم يكن علامة على فيزياء جديدة على الإطلاق - بل كان مجرد مشكلة رياضية.

دار اللغز حول الميون، وهو جسيم قصير العمر يشبه الإلكترون لكنه أثقل بحوالي 200 مرة. لأكثر من 60 عامًا، بدت قياسات العزم المغناطيسي للميون - مدى قوته كمغناطيس صغير - تتعارض مع تنبؤات النموذج القياسي، وهو كتاب القواعد لجميع الجسيمات والقوى الأساسية المعروفة. أثار هذا التباين آمال الجميع في جسيمات غير مكتشفة أو حتى "قوة خامسة" جديدة براقة تتجاوز القوى الأربع المعتادة.

قال زولتان فودور، أستاذ الفيزياء البارز في جامعة ولاية بنسلفانيا والمؤلف الرئيسي للدراسة: "كانت هناك العديد من الحسابات في الستين عامًا الماضية أو نحو ذلك، ومع ازدياد دقتها، كانت جميعها تشير إلى وجود تباين وتفاعل جديد من شأنه أن يقلب قوانين الفيزياء المعروفة رأسًا على عقب. طبقنا طريقة جديدة لحساب هذا التباين، وأظهرنا أنه غير موجود. هذا التفاعل الجديد الذي كنا نأمله ببساطة غير موجود. التفاعلات القديمة يمكنها تفسير القيمة تمامًا."

أمضى الفريق أكثر من عقد في تحسين حساباتهم، مما أدى في النهاية إلى توافق التنبؤات النظرية مع القياسات التجريبية ضمن أقل من نصف انحراف معياري. تؤكد النتيجة النموذج القياسي إلى 11 منزلة عشرية وتقلص بشكل كبير فرص وجود فيزياء غير معروفة مختبئة في هذا القياس بالذات.

اعترف فودور: "يسألني الناس كيف أشعر بهذا الاكتشاف، وبصراحة، أشعر بالحزن إلى حد ما. عندما بدأنا في حساب هذه الكمية، اعتقدنا أننا سنحصل على حساب جيد وموثوق لقوة خامسة جديدة. بدلاً من ذلك، وجدنا أنه لا توجد قوة خامسة. لقد وجدنا دليلاً دقيقًا جدًا ليس فقط على النموذج القياسي، ولكن أيضًا على نظرية المجال الكمي، وهي الأساس الذي بني عليه النموذج القياسي."

ركز البحث على العزم المغناطيسي الشاذ للميون، أو g−2، وهو انحراف طفيف عن القيمة المتوقعة وهي اثنان بالضبط. نظرًا لأن الميونات أثقل من الإلكترونات، فهي حساسة بشكل غير عادي للتأثيرات الكمية العابرة - الجسيمات التي تظهر وتختفي في الفضاء الفارغ. قامت تجارب في سيرن في الستينيات والسبعينيات، ولاحقًا في مختبر بروكهافن الوطني، ومؤخرًا في مختبر فيرمي الوطني للمسرعات، بقياس هذا بدقة ملحوظة، مما أكسبها جائزة الاختراق في الفيزياء الأساسية. لكن الأرقام لم تتطابق أبدًا مع النظرية - حتى الآن.

جاء الصداع الرئيسي من القوة القوية، أقوى القوى الأربع المعروفة، التي تربط الكواركات معًا داخل البروتونات والنيوترونات. على عكس الجاذبية أو الكهرومغناطيسية، تزداد القوة القوية قوة كلما ابتعدت الجسيمات عن بعضها - مثل شريط مطاطي يشد كلما سحبت أكثر. للتنبؤ بدقة بسلوك الميون، استخدم الفريق الديناميكا اللونية الكمية الشبكية، وهي تقنية حسابية تحاكي القوة القوية على أجهزة الكمبيوتر العملاقة عن طريق تقسيم المكان والزمان إلى شبكة دقيقة للغاية.

قال فودور: "تضمنت المنهجية القديمة جمع آلاف النتائج التجريبية وإعادة تفسيرها للحصول على رقم واحد، وهو العزم المغناطيسي للميون. كان نهجنا مختلفًا تمامًا. قسمنا الزمكان إلى خلايا صغيرة جدًا، شبكة، ثم حللنا معادلات النموذج القياسي عليها."

على مدى العقد الماضي، جمع الفريق بين حسابات الشبكة للمسافات القصيرة والمتوسطة مع قياسات تجريبية موثوقة للغاية للمسافات الأكبر، باستخدام شبكات أدق من الدراسات السابقة لتقليل عدم اليقين. يمثل الحساب النهائي التحديد الأكثر دقة حتى الآن للعزم المغناطيسي للميون.