Przez dziesięciolecia fizycy wpatrywali się w maleńką subatomową cząstkę zwaną mionem i podekscytowani szeptali o potencjalnej piątej sile natury. Teraz międzynarodowy zespół badawczy pod kierownictwem fizyka z Penn State zalał całą sprawę zimną wodą. Ich odkrycia, opublikowane w czasopiśmie Nature, sugerują, że długo obserwowana rozbieżność w zachowaniu magnetycznym mionu wcale nie była oznaką nowej fizyki - to był tylko problem matematyczny.

Tajemnica krążyła wokół mionu, krótkożyciowej cząstki, która jest zasadniczo bardziej umięśnionym kuzynem elektronu, ważącym około 200 razy więcej. Przez ponad 60 lat pomiary momentu magnetycznego mionu - jak silnie zachowuje się jak mały magnes - wydawały się nie zgadzać z przewidywaniami Modelu Standardowego, podręcznika dla wszystkich znanych cząstek i sił fundamentalnych. Ta niezgodność wzbudziła nadzieje na nieodkryte cząstki, a nawet na efektowną nową "piątą siłę" poza zwykłymi czterema.

"W ciągu ostatnich 60 lat przeprowadzono wiele obliczeń, a gdy stawały się coraz dokładniejsze, wszystkie wskazywały na rozbieżność i nowe oddziaływanie, które wywróciłoby znane prawa fizyki" - powiedział Zoltan Fodor, wybitny profesor fizyki na Penn State i główny autor badania. "Zastosowaliśmy nową metodę do obliczenia tej wielkości rozbieżności i wykazaliśmy, że jej nie ma. To nowe oddziaływanie, na które mieliśmy nadzieję, po prostu nie istnieje. Stare oddziaływania mogą całkowicie wyjaśnić tę wartość."

Zespół spędził ponad dekadę na udoskonalaniu swoich obliczeń, ostatecznie doprowadzając przewidywania teoretyczne i pomiary eksperymentalne do zgodności w granicach mniej niż pół odchylenia standardowego. Wynik potwierdza Model Standardowy z dokładnością do 11 miejsc po przecinku i znacząco zawęża szanse, że w tym konkretnym pomiarze ukrywa się nieznana fizyka.

"Ludzie pytają mnie, jak to jest dokonać tego odkrycia i, szczerze mówiąc, czuję się trochę smutny" - przyznał Fodor. "Kiedy zaczynaliśmy obliczać tę wielkość, myśleliśmy, że otrzymamy dobre i wiarygodne obliczenia dla nowej piątej siły. Zamiast tego odkryliśmy, że nie ma piątej siły. Znaleźliśmy jednak bardzo precyzyjny dowód nie tylko Modelu Standardowego, ale także kwantowej teorii pola, która jest fundamentem, na którym zbudowano Model Standardowy."

Badania skupiły się na anomalnym momencie magnetycznym mionu, czyli g−2, małym odchyleniu od oczekiwanej wartości dokładnie dwa. Ponieważ miony są cięższe od elektronów, są niezwykle czułe na ulotne efekty kwantowe - cząstki, które pojawiają się i znikają w pustej przestrzeni. Eksperymenty w CERN w latach 60. i 70., później w Brookhaven National Laboratory, a ostatnio w Fermi National Accelerator Laboratory mierzyły to z niezwykłą precyzją, zdobywając Nagrodę Przełomu w Fizyce Fundamentalnej. Ale liczby nigdy nie zgadzały się z teorią - aż do teraz.

Główny ból głowy pochodził od silnego oddziaływania, najpotężniejszego z czterech znanych sił, które wiąże kwarki wewnątrz protonów i neutronów. W przeciwieństwie do grawitacji czy elektromagnetyzmu, silne oddziaływanie staje się silniejsze, gdy cząstki oddalają się od siebie - jak gumka recepturka, która napina się, im bardziej ją ciągniesz. Aby dokładnie przewidzieć zachowanie mionu, zespół użył sieciowej chromodynamiki kwantowej, techniki obliczeniowej, która symuluje silne oddziaływanie na superkomputerach, dzieląc przestrzeń i czas na niezwykle drobną siatkę.

"Stara metodologia polegała na zbieraniu tysięcy wyników eksperymentalnych i reinterpretowaniu ich w celu uzyskania pojedynczej liczby, momentu magnetycznego mionu" - powiedział Fodor. "Nasze podejście było zupełnie inne. Podzieliliśmy czasoprzestrzeń na bardzo małe komórki, siatkę, a następnie rozwiązaliśmy równania Modelu Standardowego na tej siatce."

W ciągu ostatniej dekady zespół połączył obliczenia sieciowe dla krótkich i średnich odległości z wysoce wiarygodnymi pomiarami eksperymentalnymi dla większych odległości, używając drobniejszych siatek niż w poprzednich badaniach, aby zmniejszyć niepewność. Ostateczne obliczenia stanowią najdokładniejsze dotychczas określenie magnetycznego mionu.