Paku lain mungkin akan menutup peti mati muon sebagai tempat untuk fisika baru. Sebuah tim fisikawan yang melakukan perhitungan yang sangat tepat terhadap sifat-sifat muon dalam simulasi menemukan bahwa sifat-sifat partikel tersebut lebih sesuai dengan Model Standar daripada yang diyakini sebelumnya.
Tim ini disebut Kolaborasi BMW dan riset saat ini dihosting di server pra-cetak arXiv, yang berarti belum dipublikasikan dalam jurnal peer-review. Temuan tim sebelumnya, dipublikasikan di Alam pada tahun 2021“melemahkan[ed] perbedaan yang sudah berlangsung lama antara eksperimen dan teori.” Dengan kata lain, karya mereka telah membawa fisika eksperimental lebih dekat dengan prediksi teoritis dalam hal pemahaman kita tentang muon.
Dalam makalah barunya, tim tersebut melakukan simulasi kromodinamika kuantum kisi (QCD) skala besar pada kisi yang lebih halus daripada dalam penelitian sebelumnya, sehingga menghasilkan perhitungan yang lebih tepat. Intinya, tim tersebut mengambil QCD sebagai input, meletakkan kisi pada ruangwaktu, dan mensimulasikannya. Hasil mereka memperkirakan momen magnetik anomali muon yang hanya berjarak 0,9 deviasi standar dari rata-rata eksperimen untuk pengukuran properti.
Muon dan Model Standar
Muon adalah partikel elementer yang massanya sekitar 207 kali lebih besar dari elektron. Selama sekitar 20 tahun, para ilmuwan telah menganggap muon sebagai tempat yang potensial untuk penemuan fisika baru. Masalahnya terletak pada pengukuran momen magnetik anomali partikel, atau g-2, suatu sifat yang menggambarkan kontribusi mekanika kuantum terhadap goyangan partikel di hadapan medan magnet. G-2 muon tidak sesuai dengan prediksi Model Standar Fisika Partikelkumpulan teori dasar yang menopang fisika selama 50 tahun terakhir.
Tidak seperti eksperimen besar yang mengukur g-2 melalui tumbukan partikel, penelitian tim ini “tidak memerlukan masukan eksperimental apa pun. Yang dibutuhkan hanyalah aktivasi teori yang mendasarinya, yaitu QCD,” kata rekan penulis studi Zoltan Fodor, fisikawan partikel teoretis di University of California di San Diego, dalam panggilan telepon dengan Gizmodo. “Anda akan mendapatkan apa yang Anda lihat pada gambar kami hari ini: bahwa hasilnya sepenuhnya sesuai dengan hasil eksperimen.”
Dengan kata lain, temuan tim tersebut menunjukkan kesenjangan nyata antara momen magnetik anomali muon yang diprediksi dan yang diprediksi oleh Model Standar tidak sebesar yang disarankan oleh temuan sebelumnya.
Hasil eksperimen utama menunjukkan fisika baru
Momen magnetik anomali muon pertama kali diukur di CERN pada tahun 1960-an, tetapi pengukurannya tidak tepat. Pada tahun 2006, eksperimen E821 di Laboratorium Nasional Brookhaven merilis pengukuran akhir g-2 muonyang berbeda dari prediksi Model Standar dengan selisih lebih dari dua standar deviasi, sehingga membengkak menjadi perbedaan sebesar lebih dari tiga standar deviasi setelah perhitungan selanjutnya.
“Menjelaskan g-2 muon dengan fisika baru tidaklah semudah itu,” kata Andreas Crivellin, seorang fisikawan teoretis di Universitas Zurich dan Institut Paul Scherrer, dalam panggilan telepon dengan Gizmodo. “Itu bukan sesuatu yang muncul secara alami; Anda harus berusaha menemukan model yang memberi Anda efek yang cukup besar.”
Tonggak statistik yang diyakini fisikawan sebagai titik awal penemuan sejati—yang menunjukkan bahwa kemungkinan hasil tersebut terjadi secara kebetulan menurut Model Standar sangat kecil—adalah lima deviasi standar, atau “lima sigma.”
Pada tahun 2021, Kolaborasi Muon g-2 mengumumkan pengukuran momen magnetik muon yang tidak sesuai dengan Model Standar sebesar 4,2 deviasi standar. Kesenjangan antara angka-angka tersebut melebar sejak hasil Brookhaven. Namun tahun lalu, hasil eksperimen dari CMD-3sebuah akselerator di Rusia, tampaknya memperkecil perbedaan antara angka-angka tersebut. Dua langkah maju, satu langkah mundur, tergantung dari sudut pandang Anda.
“Perhitungan prinsip pertama dari kisi dan pengukuran CMD-3 ini sama-sama sesuai dan keduanya tidak mengarah pada fisika baru,” kata Crivellin. “Saya tidak terlalu berharap bahwa benar-benar ada efek fisika baru yang cukup besar dalam g-2 muon.”
Bagaimana dengan kita?
Ada cara lain untuk mengeksplorasi sifat-sifat muon. Pada tahun 2022, Gizmodo bertanya kepada beberapa fisikawan tentang terobosan besar berikutnya dalam fisika partikel, mengingat relatif tenangnya situasi sejak pengamatan Boson Higgs pada tahun 2012. Seorang fisikawan menyarankan penumbuk muon—”jika kita memiliki masalah dengan muon, mari kita gunakan muon untuk mencari tahu,” kata mereka.
Minggu lalu, tim peneliti yang berbeda diterbitkan analisisnya tentang eksperimen sinar muon yang dapat membuka jalan bagi penumbuk muon di masa depan. Namun, membangun penumbuk baru bisa mahal dan memakan waktu.
Dengan eksperimen yang ada, lebih banyak data selalu berguna, dan pengujian ulang hasil sebelumnya dengan cara yang lebih tepat dapat menunjukkan apakah Model Standar terus bertahan. Eksperimen Muon g-2 Fermilab diharapkan akan merilis hasil akhir tahun depan. Jika hasil sebelumnya menjadi indikasi, angka tahun depan akan menjadi titik data lain dalam kisah muon, bukan bab terakhirnya.
