Müüoni anomaalne magnetmoment – uue füüsika sõnumitooja?

Andi Hektor, Kristjan Kannike

Elektroniga sarnase, kuid temast raskema müüoni käitumine magnetväljas võib viidata senitundmatute osakeste olemasolule, võib-olla isegi salapärase tumeaine täpsematele omadustele. Varasemate mõõtmiste tulemuse õigsus selgub õige pea USA-s asuva Fermilabi müüoni g – 2 eksperimendis.

Fermilabi-müüoni-g-–-2-eksperimendi-rõngashoidla
Fermilabi müüoni g – 2 eksperimendi rõngashoidla, milles kiirendatakse müüone pea valguse kiiruseni. GLUKICOV / WIKIPEDIA

Anomaalsete magnetmomentide uurimist alustame müüoni väiksemast veljest elektronist. Kompassi magnetnõel näitab põhjasuunda, sest Maa magnetväljas mõjub talle pöördejõud. Magnetvälja võib tekitada ka elektrivool, kuid terasnõela magnetväli tuleb sellest, et raua aatomite elektronid on ise väikesed püsimagnetid. Nii nagu kompassinõel, püüab välises magnetväljas olev üksik elektron orienteeruda selle sihis. Kuid kuna elektronil on spinn, ei keera elektron end välise magnetvälja sihis, vaid ta telg hakkab ümber selle sihi tiire tegema (pretsesseerima) nagu loperdav vurr.
Selle, kui kiiresti elektron pretsesseerib, määrab elektroni magnetvälja tugevuse ja spinni jagatis, nn güromagnetiline suhe g. Diraci võrrand, mis kirjeldab elektroni ja teiste fermionite käitumist, ennustab, et g = 2. Tegelikkuses erineb güromagnetiline suhe g arvust 2 umbes 0,1 protsendi võrra. Seda erinevust nimetatakse anomaalseks magnetmomendiks. Asi on selles, et elektroni vastastikmõju footoniga – elektromagnetilise jõu kandjaga – mõjutavad virtuaalsel kujul kõik laetud osakesed, mis üldse olemas on.
Elektroni anomaalse magnetmomendi arvutas 1948. aastal esimesena välja Ameerika teoreetik Julian Schwinger. Tulemus α / (2 π), kus α on elektromagnetilise vastastikmõju tugevus, on raiutud ka tema hauakivile. Tänapäeval on elektroni g – 2 välja arvutatud veel palju täpsemini; see on lausa osakestefüüsika standardmudeli kõige paremini kontrollitud ennustus!
See ennustus on nii täpne, sest elektroni anomaalset magnetmomenti mõjutab kõige enam elektron ise. Siin tuleb appi teine osake, müüon, mis on elektronile kõigiti sarnane, aga temast 207 korda raskem. Seetõttu on müüoni g – 2 märksa tundlikum suurema massiga virtuaalsetele osakestele.
Seniste mõõtmiste järgi Brookhaveni labori E821 eksperimendis on müüoni anomaalsest magnetmomendist 99,96% seletatav juba tuntud füüsikaga, kuid ülejäänud 0,04% seletamiseks tuleb appi võtta senitundmatud osakesed.
Paljud populaarsed uue füüsika kandidaadid – näiteks supersümmeetria – ennustavad osakestefüüsika standardmudelist erinevat müüoni g – 2.
Ka käesoleva loo autorid on oma teadustöödes mitmete uute osakestefüüsika mudelite jaoks välja arvutanud müüoni anomaalse magnetmomendi – näiteks uurides võimalust, et nii müüoni mass kui anomaalne magnetmoment tulevad uute osakeste kvantparandustest või et teatud tumeaine osake mõjutab müüoni g – 2.
Selleks, et mõõta müüoni magnetmomenti, tuleb see asetada magnetvälja, kus saab mõõta tema pretsesseerumist. Kuna paigalseisva müüoni eluiga on ainult 2,2 mikrosekundit, kasutatakse mõõtmise täpsemaks teostamiseks pea valguse kiirusega liikuvaid müüoneid, mille lagunemiseks kulub mitukümmend mikrosekundit. Katseseadmes tiirutavad kiired müüonid ringi rõngakujulises müüonhoidlas. Nõnda tuleb lahendada kolm väga keerulist ülesannet: toota mõõtmiseks piisavalt müüoneid, tekitada rõngastorus ülimalt ühtlane magnetväli ja mõõta ära rõngas tiirutavate müüonite anomaalne magnetmoment.
Esimese ülesande lahendamiseks mõtlesid osakestefüüsikud juba 1950. aastate lõpus välja müüonite „vabrikud”. Osakestekiirendis antakse sellisele igapäevaosakesele nagu prooton suur energia ja tulistatakse see ainetüki pihta. See tekitab kaskaadi osakesi, millest oluline osa on väga lühikese eluaega piionid. Piionite hulgast eraldatakse magnetvälja abil laetud piionid. Need hakkavad kiiresti lagunema müüoniteks, mis omakorda suunatakse edasi, kasutades nn müüonieraldajat. Saadud (anti)müüonid tuleb nüüd „maha rahustada” ehk jagada need ühtlastesse portsjonitesse, kus kõik müüonid liiguvad rahulikult üksteise kõrval.

müüonieksperiment

Kui värsked müüonid on vabrikust välja lastud, suunatakse need müüonhoidlasse. Peadpööritava kiirusega väga ühtlases magnetväljas tiirutades säilivad nad piisavalt kaua, et nende anomaalne magnetmoment ära mõõta. Tugevat magnetvälja hoitakse ülijuhtivast materjalist valmistatud magnetite abil. Kuna magnetväli kipub kõikuma, tuleb seda pidevalt üle mõõta. Selleks saab kasutada näiteks torusse paigutatud testkehasid, mille puhul mõõdetakse tuumamagnetresonantsi.
Tegu on sama nähtusega, mida kasutatakse meditsiinis, et inimeste sisse vaadata.
Müüoni magnetmomenti ennast mõõdetakse kaudselt. Antimüüon laguneb lõpuks positroniks (elektroni antiosake) ja kaheks neutriinoks. Tekkinud positroni omadused on tundlikud selle suhtes, millise nurga all olid omavahel osakese spinn ja magnetväli. Et seda üliväikest efekti näha, selleks tuleb loomulikult vaadata miljoneid lagunemisi, mõõta tekkinud positronide liikumistrajektoori ja energiat ning andmeid statistiliselt analüüsida. Liikumistrajektoori mõõtmiseks kasutatakse nagu CERN-i suures hadronite põrgutiski träkkerit, mida võib ette kujutada kolmemõõtmelise CCD-kaamerana. Kui nutitelefoni või fotoaparaadi CCD-kaamera pildistab üles kahemõõtmelise foto, siis träkker annab kolmemõõtmelise pildi osakestest, mis temast läbi lendavad. Edasi lähevad positronid kalorimeetrisse, kus mõõdetakse ära nende energia.
Nii töötab 2016. aastal tööd alustanud müüoni g – 2 eksperiment Fermilabis, USA suurimas osakestefüüsika laboris, mis jääb mõõtmetelt alla ainult Euroopas asuvale CERN-ile. Tulemused avaldatakse loodetavasti selle aasta esimesel poolel. Neid tulemusi ootab osakestefüüsikute kogukond – loo autorid kaasa arvatud – väga suure põnevusega. Nagu juba mainisime, leidis varasem eksperiment E821 (2001), et müüoni anomaalne magnetmoment on anomaalselt suur. On kaks võimalust: kas praegune eksperiment lükkab selle ümber ja kinnitab standardmudeli ennustuse kehtivust või kinnitab see eelmise eksperimendi tulemust. Loomulikult ootavad füüsikud põnevusega viimast. See oleks esimene maine eksperiment, mis näitaks, et standardmudel vajab täiendamist uute osakestega.

Andi Hektor (1975) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur. Tema teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, astroosakestefüüsika, kosmoloogia, kosmilised kiired ja andmeteadus.

Kristjan Kannike (1978) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur. Tema teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, kosmoloogia ja varajase universumi füüsika.

HORISONT