On yıllardır fizikçiler, müon adı verilen küçücük bir atom altı parçacığa bakıp heyecanla olası bir beşinci kuvvet hakkında fısıldaşıyorlardı. Şimdi, Penn State'li bir fizikçinin liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi tüm bu olaya soğuk su döktü. Nature dergisinde yayınlanan bulguları, müonun manyetik davranışındaki uzun süredir gözlemlenen tutarsızlığın yeni bir fiziğin işareti olmadığını, sadece bir matematik problemi olduğunu gösteriyor.

Gizem, temelde elektronun daha kaslı kuzeni olan ve yaklaşık 200 kat daha ağır olan kısa ömürlü müon parçacığı etrafında dönüyordu. 60 yılı aşkın süredir, müonun manyetik momenti (ne kadar güçlü bir şekilde küçük bir mıknatıs gibi davrandığı) ölçümleri, bilinen tüm temel parçacıklar ve kuvvetler için kural kitabı olan Standart Model'in tahminleriyle uyuşmuyor gibiydi. Bu uyuşmazlık, herkesin keşfedilmemiş parçacıklar veya hatta olağan dört kuvvetin ötesinde göz alıcı yeni bir "beşinci kuvvet" ummasına yol açtı.

"Son 60 yılda pek çok hesaplama yapıldı ve daha kesin hale geldikçe hepsi bir tutarsızlığa ve fizik yasalarını alt üst edecek yeni bir etkileşime işaret ediyordu," dedi Penn State'te seçkin fizik profesörü ve çalışmanın baş yazarı Zoltan Fodor. "Bu tutarsızlık miktarını hesaplamak için yeni bir yöntem uyguladık ve olmadığını gösterdik. Umduğumuz bu yeni etkileşim kesinlikle yok. Eski etkileşimler değeri tamamen açıklayabiliyor."

Ekip, hesaplamalarını iyileştirmek için on yıldan fazla zaman harcadı ve sonunda teorik tahminler ile deneysel ölçümleri yarım standart sapmadan daha az bir farkla uyumlu hale getirdi. Sonuç, Standart Model'i 11 ondalık basamağa kadar doğruluyor ve bilinmeyen fiziğin bu özel ölçümde saklanma olasılığını önemli ölçüde daraltıyor.

"İnsanlar bu keşfi yapmanın nasıl bir his olduğunu soruyor ve dürüst olmak gerekirse, biraz üzgün hissediyorum," diye itiraf etti Fodor. "Bu miktarı hesaplamaya başladığımızda, yeni bir beşinci kuvvet için iyi ve güvenilir bir hesaplamamız olacağını düşünüyorduk. Bunun yerine, beşinci kuvvetin olmadığını bulduk. Sadece Standart Model'in değil, aynı zamanda Standart Model'in üzerine inşa edildiği temel olan kuantum alan teorisinin de çok kesin bir kanıtını bulduk."

Araştırma, müonun anormal manyetik momentine veya g−2'ye, yani beklenen tam iki değerinden küçük bir sapmaya odaklandı. Müonlar elektronlardan daha ağır olduğu için, boş uzayda gelip geçici olarak var olan parçacıkların kuantum etkilerine karşı alışılmadık derecede hassastırlar. 1960'larda ve 1970'lerde CERN'de, daha sonra Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda ve yakın zamanda Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndaki deneylerin tümü bunu olağanüstü bir hassasiyetle ölçtü ve Temel Fizikte Çığır Açan Ödülü'nü kazandı. Ancak sayılar teoriyle hiçbir zaman tam olarak eşleşmedi - ta ki şimdiye kadar.

Asıl baş ağrısı, bilinen dört kuvvetin en güçlüsü olan ve kuarkları proton ve nötronların içinde bir arada tutan güçlü kuvvetten kaynaklanıyordu. Yerçekimi veya elektromanyetizmanın aksine, güçlü kuvvet parçacıklar birbirinden uzaklaştıkça güçlenir - tıpkı çektikçe sıkılaşan bir lastik bant gibi. Müonun davranışını doğru bir şekilde tahmin etmek için ekip, süper bilgisayarlarda uzay ve zamanı son derece ince bir ızgaraya bölerek güçlü kuvveti simüle eden bir hesaplama tekniği olan kafes kuantum renk dinamiğini kullandı.

"Eski metodoloji, binlerce deneysel sonucu toplamayı ve müonun manyetik momenti olan tek sayıyı elde etmek için bunları yeniden yorumlamayı içeriyordu," dedi Fodor. "Bizim yaklaşımımız tamamen farklıydı. Uzay-zamanı çok küçük hücrelere, bir kafese böldük ve ardından Standart Model'in denklemlerini bu kafes üzerinde çözdük."

Son on yılda ekip, kısa ve orta mesafeler için kafes hesaplamalarını, daha büyük mesafeler için oldukça güvenilir deneysel ölçümlerle birleştirdi ve belirsizliği azaltmak için önceki çalışmalardan daha ince kafesler kullandı. Nihai hesaplama, müonun manyetik momentinin şimdiye kadarki en doğru belirlemesini temsil ediyor.