Timp de decenii, fizicienii s-au uitat la o particulă subatomică minusculă numită muon și au șoptit entuziasmați despre o potențială a cincea forță a naturii. Acum, o echipă internațională de cercetare condusă de un fizician de la Penn State a turnat apă rece peste toată afacerea. Descoperirile lor, publicate în revista Nature, sugerează că discrepanța observată de mult timp în comportamentul magnetic al muonului nu a fost deloc un semn de fizică nouă - a fost doar o problemă de matematică.

Misterul s-a învârtit în jurul muonului, o particulă cu viață scurtă care este practic verișorul mai masiv al electronului, cântărind de aproximativ 200 de ori mai mult. Timp de peste 60 de ani, măsurătorile momentului magnetic al muonului - cât de puternic se comportă ca un magnet mic - păreau să nu fie de acord cu predicțiile Modelului Standard, cartea de reguli pentru toate particulele și forțele fundamentale cunoscute. Această nepotrivire i-a făcut pe toți să spere la particule nedescoperite sau chiar la o nouă „a cincea forță” glamour dincolo de cele patru obișnuite.

„Au existat multe calcule în ultimii 60 de ani sau cam așa ceva, și pe măsură ce deveneau tot mai precise, toate indicau o discrepanță și o nouă interacțiune care ar fi răsturnat legile cunoscute ale fizicii”, a spus Zoltan Fodor, profesor distins de fizică la Penn State și autor principal al studiului. „Am aplicat o nouă metodă pentru a calcula această cantitate de discrepanță și am arătat că nu există. Această nouă interacțiune la care speram pur și simplu nu există. Vechile interacțiuni pot explica valoarea complet.”

Echipa a petrecut mai mult de un deceniu rafinând calculul, aducând în cele din urmă predicțiile teoretice și măsurătorile experimentale în acord cu mai puțin de jumătate de abatere standard. Rezultatul confirmă Modelul Standard la 11 zecimale și reduce semnificativ șansele ca fizica necunoscută să se ascundă în această măsurătoare particulară.

„Oamenii mă întreabă cum mă simt să fac această descoperire și, sincer, mă simt oarecum trist”, a recunoscut Fodor. „Când am început să calculăm această cantitate, credeam că vom avea un calcul bun și de încredere pentru o nouă a cincea forță. În schimb, am descoperit că nu există a cincea forță. Am găsit o dovadă foarte precisă nu doar a Modelului Standard, ci și a teoriei câmpurilor cuantice, care este fundația pe care a fost construit Modelul Standard.”

Cercetarea s-a concentrat pe momentul magnetic anormal al muonului, sau g−2, o abatere mică de la valoarea așteptată de exact doi. Deoarece muonii sunt mai grei decât electronii, sunt neobișnuit de sensibili la efecte cuantice trecătoare - particule care apar și dispar din existență în spațiul gol. Experimentele de la CERN în anii 1960 și 1970, mai târziu la Brookhaven National Laboratory și mai recent la Fermi National Accelerator Laboratory au măsurat toate acestea cu o precizie remarcabilă, câștigând Premiul Breakthrough în Fizică Fundamentală. Dar numerele nu s-au potrivit niciodată cu teoria - până acum.

Principala durere de cap a venit de la forța tare, cea mai puternică dintre cele patru forțe cunoscute, care leagă quarcii împreună în interiorul protonilor și neutronilor. Spre deosebire de gravitație sau electromagnetism, forța tare devine mai puternică pe măsură ce particulele se îndepărtează - ca o bandă elastică care se strânge cu cât tragi mai mult. Pentru a prezice cu exactitate comportamentul muonului, echipa a folosit cromodinamica cuantică pe rețea, o tehnică computațională care simulează forța tare pe supercomputere prin împărțirea spațiului și timpului într-o rețea extrem de fină.

„Metodologia veche implica colectarea a mii de rezultate experimentale și reinterpretarea lor pentru a obține un singur număr, momentul magnetic al muonului”, a spus Fodor. „Abordarea noastră a fost complet diferită. Am împărțit spațiu-timpul în celule foarte mici, o rețea, apoi am rezolvat ecuațiile Modelului Standard pe aceasta.”

În ultimul deceniu, echipa a combinat calculele pe rețea pentru distanțe scurte și medii cu măsurători experimentale extrem de fiabile pentru distanțe mai mari, folosind rețele mai fine decât studiile anterioare pentru a reduce incertitudinea. Calculul final reprezintă cea mai precisă determinare de până acum a magneti