Müon g-2 ölçümü: Standart model yıkıldı mı?

Geçen ayki yazımda müon adlı temel parçacıkların, CERN’de yapılan parçacık fiziği deneylerinde beklenilenden farklı davrandığından bahsetmiştim. Bu farklılık müon ve diğer temel parçacıkları açıklayan Standart Model adlı teorimizin yanlış veya eksik olduğunu gösteriyor olabilir. Nisan ayında ABD’deki bir parçacık deneyi yine böyle bir farklılık gözlemledi. Bu sefer de ondan bahsedelim.

7 Nisan 2021 tarihinde Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı büyük bir basın toplantısı düzenledi. Bu basın toplantısında Fermilab’da 2018’den beri veri toplayan “müon g-2 deneyi”nin sonuçları açıklandı. Bu sonuç, kullandığımız parçacık fiziği teorisinden beklenenden çok farklıydı ve uluslararası parçacık fiziği camiasını bayağı heyecanlandırdı. Peki, g-2 nedir ve neden heyecanlandık?

Elektron, müon gibi temel parçacıkların varoluşlarından gelen bir içsel mıknatısları mevcut. (müon elektronun 200 katı ağırlığında, benzer kuantum özelliklere sahip temel bir parçacık.) Bu içsel mıknatıs, dışarıdan uygulanan bir manyetik altında sallanmaya başlıyor. Mesela bir topacı döndürdükten bir süre sonra topaç hem kendi etrafında döner hem de yanlara doğru sendelemeye başlar ya? İşte o yanlara doğru sallanma hareketi bizi ilgilendiren. Bu sallanmanın kuvveti, yani müonun içsel mıknatısının dışardaki manyetik alan ile etkileşme oranı, ilk başta müon parçacığının kuantum yapısına bağlı. Bu kuvveti “g” denen, birimleri olmayan bir katsayı ile gösteriyoruz. (Yerçekimi kuvveti için de g kullanılır; onunla karıştırmayalım.) Bu katsayının büyüklüğü ilk bakışta 2 olmalı. (Elektron için de aynı.) Fakat deneylerimizde müon tek başına bulunmuyor aslında. Sürekli bir şekilde boşlukta anlık ortaya çıkıp yok olan sanal parçacıklar ile etkileşiyor. Bu etkileşmeleri Standart Model içinde hesaplayabiliyoruz. Bu hesaplamalarda önceki yazılarımda bahsettiğim latis teknikleri gibi bilgisayar işlemleri gerekiyor. Kuantum alan etkileşmelerini de göz önüne aldığımızda g katsayısının teorik büyüklüğünün aslında tam 2 değil de, 2.00233183620(86) olduğunu buluyoruz. Deneylerde de g yerine g-2 (g eksi 2) katsayısı ölçülüyor. müon g-2 Deneyinde ölçülen g değeri ise 2.00233184122(82). Bu sayılar birbirine çok yakın ama noktadan sonra sekizinci basamakta bir değişiklik görüyoruz. İşte bu minicik fark çok heyecanlı! Çünkü deney ve teori uyuşmazsa teorimizi yenilememiz gerekebilir.

Ne yazık ki bu sonuç henüz keşif seviyesine ulaşmadı. İstatiksel önemi henüz 4.2 sigma seviyesinde, keşif için 5’e ulaşması gerek. (Bu sayıların ne anlama geldiğini bir önceki yazımda anlatmıştım.) Bu deney ve sonuçlarının önündeki en büyük sorun aslında teorik hesaplarımız. g-2 katsayısının teorik hesaplaması oldukça zor. Bu hesaplamanın bir kısmı latis teknikleri denen bilgisayar hesaplaması yöntemlerine dayanıyor. Birçok değişik gruptan gelen latis sonuçları henüz birbiriyle çok uyumlu değil; hangisine güveneceğimizi bilemiyoruz. Bundan daha önemli bir zorluk ise şu: Teorik hesaplamaların hepsi sırf teorik değil, başka başka deneylerden gelen sonuçlar kullanılıyor bazı yerlerde. Mesela teorik hesaplarımıza giren bir veri müonun güçlü nükleer kuvvet ile etkileşimi. İlk bakışta böyle bir etkileşim yok, çünkü müonun güçlü nükleer kuvvet altında yükü yok. Fakat kuantum alan teorisi işin içine girdiği zaman dolaylı yoldan bu etkileşimler oluşuyor. Bu tarz etkileşimleri kalem, kâğıt hatta bilgisayar ile hesaplamak neredeyse imkânsız olduğu için başka deneylerden gelen ölçümlere yöneliyoruz. Bu ölçümler elektron-pozitron deneylerinde yapılıyor ve müon sistemine çevirisi yapılıyor. Fakat bu çeviriye ne kadar güvenebiliriz? Bu kısım teorik fizikçilerin başını ağrıtıyor gerçekten.