I årtionden har fysiker stirrat på en liten subatomär partikel som kallas myonen och viskat upphetsat om en potentiell femte naturkraft. Nu har ett internationellt forskarteam lett av en fysiker från Penn State hällt kallt vatten över hela affären. Deras resultat, publicerade i tidskriften Nature, tyder på att den länge observerade avvikelsen i myonens magnetiska beteende inte alls var ett tecken på ny fysik – det var bara ett matematiskt problem.

Mysteriet kretsade kring myonen, en kortlivad partikel som i princip är elektronens kraftigare kusin, med ungefär 200 gånger större massa. I över 60 år verkade mätningar av myonens magnetiska moment – hur starkt den fungerar som en liten magnet – inte stämma överens med förutsägelser från standardmodellen, regelboken för alla kända fundamentala partiklar och krafter. Denna brist på överensstämmelse fick alla att hoppas på oupptäckta partiklar eller till och med en glamorös ny ”femte kraft” utöver de vanliga fyra.

”Det fanns många beräkningar under de senaste 60 åren eller så, och när de blev mer och mer precisa pekade de alla mot en avvikelse och en ny växelverkan som skulle kullkasta kända fysiklagar”, säger Zoltan Fodor, framstående professor i fysik vid Penn State och huvudförfattare till studien. ”Vi tillämpade en ny metod för att beräkna denna avvikelse, och vi visade att den inte finns där. Den nya växelverkan vi hoppades på finns helt enkelt inte. De gamla växelverkningarna kan förklara värdet fullständigt.”

Teamet tillbringade mer än ett decennium med att förfina sin beräkning och fick till slut teoretiska förutsägelser och experimentella mätningar att överensstämma inom mindre än en halv standardavvikelse. Resultatet bekräftar standardmodellen till 11 decimaler och minskar avsevärt chanserna att okänd fysik gömmer sig i just denna mätning.

”Folk frågar mig hur det känns att göra denna upptäckt, och ärligt talat känner jag mig lite ledsen”, medgav Fodor. ”När vi började beräkna denna storhet trodde vi att vi skulle få en bra och pålitlig beräkning för en ny femte kraft. Istället fann vi att det inte finns någon femte kraft. Vi fann ett mycket precist bevis inte bara för standardmodellen, utan också för kvantfältteorin, som är grunden på vilken standardmodellen byggdes.”

Forskningen fokuserade på myonens anomala magnetiska moment, eller g−2, en liten avvikelse från det förväntade värdet exakt två. Eftersom myoner är tyngre än elektroner är de ovanligt känsliga för flyktiga kvanteffekter – partiklar som dyker upp och försvinner i tomma rymden. Experiment vid CERN på 1960- och 1970-talen, senare vid Brookhaven National Laboratory, och nyligen vid Fermi National Accelerator Laboratory mätte allt detta med anmärkningsvärd precision, vilket gav dem Breakthrough Prize i fundamental fysik. Men siffrorna stämde aldrig riktigt med teorin – förrän nu.

Den största huvudvärken kom från den starka kraften, den mest kraftfulla av de fyra kända krafterna, som binder kvarkar inuti protoner och neutroner. Till skillnad från gravitation eller elektromagnetism blir den starka kraften starkare ju längre partiklarna rör sig från varandra – som ett gummiband som dras åt ju mer man drar. För att exakt förutsäga myonens beteende använde teamet gitterkvantkromodynamik, en beräkningsteknik som simulerar den starka kraften på superdatorer genom att dela upp rum och tid i ett extremt fint rutnät.

”Den gamla metodiken innebar att samla in tusentals experimentella resultat och tolka om dem för att få fram det enskilda talet, myonens magnetiska moment”, sade Fodor. ”Vår metod var helt annorlunda. Vi delade upp rumtiden i mycket små celler, ett gitter, och löste sedan standardmodellens ekvationer på det.”

Under det senaste decenniet kombinerade teamet gitterberäkningar för korta och medellånga avstånd med mycket tillförlitliga experimentella mätningar för längre avstånd, med finare gitter än tidigare studier för att minska osäkerheten. Den slutliga beräkningen representerar den mest exakta bestämningen hittills av myonens magnetiska moment.