ספין ממגנט
18/04/2021
בניסוי במעבדת המאיץ על שם פרמי (״פרמילאב״), שבה נמדדה עוצמת המגנוט של חלקיק אלמנטרי בשם מיואון, נמצאה אי-התאמה בין המודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים לבין תוצאות הניסוי. הממצאים הללו מלהיבים את הפיזיקאים, שכן הם עשויים להעיד על קיומם של חלקיקים חדשים שטרם נצפו.
מגנטים מוכרים לעולם המדע כבר מאות שנים, אולם ההבנה של ״מהו מגנט״ התגבשה היטב רק במהלך המאה העשרים. מתברר שכאשר חלקיק בעל מטען חשמלי מסתובב במעגל הוא נהפך למגנט קטנטן. הפיזיקה התאורטית יודעת לחשב את עוצמת המגנוט של חלקיק יסודי (שנקראת "המומנט המגנטי") - חישוב מאוד מורכב וקשה.
נתחיל עם האלקטרון. לאלקטרון מטען חשמלי [1], ובנוסף יש לו תכונה הנקראת "ספין" [2], שהופכת אותו למעין מגנט קטנטן. אבל האם ניתן לחשב באופן תאורטי את עוצמת המגנוט של האלקטרון? בתחילת המאה העשרים חישב הפיזיקאי האנגלי פול דיראק את הערך, ומצא שהוא קרוב מאוד לערך שנמדד קודם לכן באופן נסיוני. קרוב מאוד אך לא בדיוק: בעוד שהערך שחישב דיראק, ביחידות מסוימות, הוא 2, הרי שבאותן היחידות, הערך הנמדד בניסוי, שמכונה g, הוא לא בדיוק 2 אלא בקירוב, g=2.002319.
לחריגה בשיעור 0.002319 יש שֵם: g-2 של האלקטרון.
הסיבה לחריגה מוסברת בעזרת תאוריה הנקראת אלקטרודינמיקה קוונטית: מתברר שהאלקטרון מסוגל להשפיע על המגנוט של עצמו, מה שגורם להסחה מהערך 2 [3]. מכיוון שפעולת הגומלין של האלקטרון עם עצמו היא חלשה, הרי שהסטייה היא קלה. בנוסף, האלקטרון מסוגל לבצע פעולות גומלין עם כל חלקיק אחר, וחישוב מדוקדק של השפעת פעולות גומלין הללו מראה שגם הן משפיעות קלושות על הערך של g-2.
חלקיק המיואון דומה מאוד לאלקטרון בתכונותיו, למעט היותו כבד פי 207 מהאלקטרון; הוא האח השמנמן שלו. המיואון גם הוא מגנט קטנטן ואפשר למדוד את עוצמתו. מכיוון שהוא דומה לאלקטרון, הרי שעוצמת המגנט של המיואון דומה לזאת של האלקטרון: g=2.002331836, והחריגה בשיעור 0.002331836 היא g-2 של המיואון.
הערך g-2 של האלקטרון ושל המיואון ניתן לחישוב תאורטי מדוקדק. הוא גם ניתן למדידה מדויקת להפליא. לפיכך מדובר בגודל פיזיקלי מאוד מעניין, כי הוא מאפשר להשוות את התאוריה לניסיון. נציין שכאשר עורכים חישוב תאורטי מדוקדק יש לקחת בחשבון את פעולות הגומלין של המיואון או האלקטרון עם כל אחד מהחלקיקים האלמנטריים בטבע. הסיבה היא שתגובות אלו ״ממסכות״ כל מדידה שנעשית ולכן צריכות להילקח בחשבון בחישוב.
אז איך מודדים את המגנוט? בעזרת שדה מגנטי, כמובן. כשחלקיקים טעונים חשמלית מושפעים משדה מגנטי משמעותי, הם עשויים לנוע במעגלים. בנוסף, כמו לאלקטרון, גם לחלקיקים אחרים יש ספין [2]. גם הספין מגיב לשדה המגנטי החיצוני, ומשנה את כיוונו בהתאם לשדה המגנטי ובאופן פרופורציוני ל-g-2. כאשר מדובר בשינוי מחזורי, תדירות שינוי זו תלויה ב-g-2.
מטרת הניסויים שבהם אנו דנים [4] היא למדוד את ערכו של g-2 בדיוק בעזרת תופעה זו. במילים פשוטות יותר, חלקיקים המושפעים משדה מגנטי יכולים לשנות את כיוון המִגנוט שלהם ולנוע במעגלים, בהתאם לשדה המגנטי. אם אנו יודעים את גודלו של השדה המגנטי, ניתן לחלץ מתוך תדירות תנועת החלקיקים את קצב השינוי של המִגנוט וממנו את g-2.
מטבע הדברים, ניסויים אלו דורשים חומרה ברמה גבוהה מאוד ויכולת למדוד במדויק הן את תדירויות החלקיקים והן את השדה המגנטי שמשפיע עליהן. בניסוי שנערך בברוקהייבן ב-2001 [5], הואצו קרני מיואונים בטבעת מעגלית ברדיוס של כ-7.5 מטרים, בעזרת שדה מגנטי חזק. לרדיוס הטבעת יש חשיבות בהקטנת השגיאות בניסוי. מתוך תדירות הסיבוב של המיואונים בניסוי נמדדו ערכי g-2 של 0.0023318416.
תוצאה זו היא סטייה משמעותית מהתאוריה. התורה האלקטרומגנטית הקוונטית היא כנראה התאוריה המדעית המדויקת ביותר שבידינו, והיא איננה מסבירה את הסטייה. למרות ההבדלים המזעריים, תוצאה כזו מעידה על כך שהמדידה שגויה או שהתאוריה לוקה בחסר. מאחר שמדובר רק בניסוי אחד, שתוצאותיו לאו דווקא נכונות, השפעתו הייתה מוגבלת. עם זאת, התוצאות יוצאות הדופן של הניסוי היו מסקרנות מספיק כדי לנסות לחזור על המדידות ולשחזר אותן.
בשנים האחרונות נערך במעבדת פרמי (Fermilab) שליד שיקגו, ניסוי דומה [6], שמטרתו לשחזר את תוצאות הניסוי בברוקהייבן תוך שימוש באלומת מיואונים בעלת עוצמה גבוהה בהרבה (כלומר, כמות גדולה משמעותית, פי 20 בערך, של מיואונים). בניסוי החדש נמדדו שוב התדירויות, וה-g-2 של המיואון חושב בעזרתן. התוצאות המפתיעות (או שלא) הן ש-g-2 הוא 0.0023318412, כלומר בהתאמה לניסוי בברוקהייבן ובסתירה לתאוריה המוכרת.
מדובר בתוצאות חלקיות בשלב זה, שכן הן בעלות מובהקוּת של 4.2 סיגמה, כלומר ישנו סיכוי של 1 ל-40,000 שהן שגויות, בעוד הרף המקובל בעולם המדע למובהקות סטטיסטית הוא 5 סיגמה, או סיכוי של 1 ל-3.5 מיליון שהתוצאה איננה מובהקת.
אף שאלו תוצאות חלקיות, הדרמטיות שלהן כבר מעוררת הדים. אם ערכו של g-2 הוא אכן מה שנמדד בשני הניסויים, המשמעות היחידה היא קיומה של פיזיקה חדשה - חלקיקים או תגובות שטרם גילינו שמשפיעים על המומנט המגנטי של המיואון. אם אין פגם בניסוי או בחישוב המסובך שערכו התאורטיקנים, הרי שקיימים עוד חלקיקים, כאלו שטרם נחזו בטבע, שעורכים פעולת גומלין עם המיואון. האפשרות הזאת מלהיבה את הפיזיקאים.
בשלב הבא יימשכו המדידות כדי לקבל תוצאות בעלות מובהקות של 5 סיגמא, כמקובל. בינתיים, התוצאות מסעירות את דמיונם של פיזיקאים ברחבי העולם. מתברר שלפעמים גילויים דרמטיים יכולים להסתתר ממש מעבר לפינה.
(בתמונת הנושא: הניסוי בפרמילאב בעת בנייתו)
הערות והרחבות:
[1] מהו מטען חשמלי?
[2] מהו ספין?
[3] על המומנט המגנטי של האלקטרון
[4] כתבה בנייצ׳ר על הניסוי g-2
[6] תוצאות ראשוניות מהניסוי בפרמילב
פרופסור לפיזיקה תאורטית של חלקיקים אלמנטריים באוניברסיטת סוונסי. בעבודתו עוסק עדי בכרומודינמיקה קוונטית ובתורת המיתרים
דוקטור לפיזיקה, בוגר הטכניון בחיפה. התמחה בפיזיקה של חלקיקים יסודיים, פיזיקה של מצב מוצק ואופטיקה. כיום, עוסק בעיבוד תמונה, עיבוד אותות ובלמידת מכונה. לשעבר המנהל המקצועי של עמותת "מדע גדול, בקטנה".
