Eksperimen g-2 Muon Menjadi Petanda Fizik Baharu

Oleh: Mohd Faudzi Umar
Pensyarah Fizik
Universiti Pendidikan Sultan Idris

Baru-baru ini, saintis kumpulan Eksperimen g-2 Muon (di sebut gee minus 2) dari Makmal Kebangsaan Fermi di Batavia telah melaporkan nilai eksperimen terkini magnet muon di dalam Physical Review Letters [1]. Penemuan terbaru tersebut melaporkan bahawa terdapat anomali bagi nilai magnet muon yang diramalkan secara teori dan eksperimen iaitu daripada hasil dapatan terkini Eksperimen g-2 Muon adalah agak berbeza, sekecil 0.00000000251 dengan signifikan 4.2 sigma*. Meskipun perbezaan nilai yang sangat kecil, sudah memadai mengubah hala tuju fizik zarah. Hal ini, secara tidak langsung, menjadi tanda kepada permulaan fizik baharu iaitu sama ada daya/zarah tak diketahui terhasil daripada muon atau mempunyai hubungan dengan jirim gelap.

Zarah muon ditemui oleh ditemui oleh Carl D. Anderson dan Seth Neddermeyer pada tahun 1936, mendapati muon mempunyai spin-1/2 dan bercas serupa dengan elektron. Walaubagaimanapun muon mempunyai lebih 200 kali daripada jisim elektron iaitu 105.658MeV, menyebabkan ia mempunyai hayat yang pendek (2.2 μs), dan mereput kepada zarah yang lebih ringan. Seperti elektron, muon juga bertindak seperti magnet berputar. Kekuatan dan kadar putaran magnetnya diukur dengan g-faktor (nisbah gyromagnetik), dan nilainya sedikit lebih tinggi daripada 2.

Persoalannya, kenapa g-faktor begitu penting? Berbalik kepada tahun 1947, Polykarp Kusch dan Henry Foley mengukur g-faktor bagi elektron sebanyak 2.00232. Secara teori pula, Julian Schwinger menjelaskan bahawa pembetulan kecil tersebut terhasil daripada kecenderungan elektron tersebut memancar dan menyerap semula foton secara singkat sepanjang ia bergerak dalam ruang, hal ini dikenali sebaga fluktuasi kuantum. Fenomena ini juga berlaku kepada zarah muon, di mana wujud ‘sesuatu awan’ sekitar zarah muon yang muncul secara tiba-tiba, dan awan inilah yang mengubah momen magnet zarah muon tersebut. Terdapat dua cara fluktuasi yang berlaku dan mengubah momen magnet muon:

  1. Satu-foton: Situasi ringkas ini hanya memancarkan dan meyerap semula zarah maya, dan ia penyumbang besar kepada perubahan nilai momen magnet muon.
  2. Pempolaran vakum hadronik: Perubahan kecil pada momen magnet muon di mana zarah maya membentuk satu hadron dan satu lagi antihadron (seperti kuark)

Eksperimen g-2 Muon bermula rentetan daripada penemuan oleh sekumpulan saintis Eksperimen E821 dari Makmal Kebangsaan Brookhaven di Upton pada tahun 2001. Mereka mendapati bahawa kelakuan zarah muon tidak selari dengan apa yang diramalkan oleh Model Standard. Oleh itu, Eksperimen g-2 Muon di Fermilab dijalankan dan mengesahkan lagi hasil dapatan mereka itu (Brookhaven), dengan nilai yang lebih tepat dan terkini. Penemuan Eksperimen E821 tersebut tidaklah begitu cukup kuat untuk mengesahkan penemuan ini dengan nilai signifikan sekitar sigma 3.3. Nilai teori yang boleh diterima bagi g-faktor adalah 2.00233183620(86), berbanding nilai terkini oleh kumpulan Eksperimen g-2 Muon iaitu 2.00233184122(82). Gabungan hasil dapatan kedua-dua penyelidikan menunjukkan perbezaan dengan teori pada signifikan 4.2, menghampiri 5 sigma, berkemungkinan menjadi satu penemuan atau petanda bagi fizik baharu. Sebenarnya, usaha bagi menjayakan Eksperimen g-2 Muon telahpun bermula dari tahun 2013, di mana magnet gergasi telah dipindahkan daripada makmal Brookhaven ke Fermilab, di mana Fermilab mempunyai peralatan canggih bagi alur muon berkekuatan tinggi. Set eksperimen adalah seperti dalam Rajah 1, di tengah-tengah eksperimen adalah cincin penstoran magnet bersuperkonduksian dengan diameter 50 kaki, terdapat juga alat pengesan bersama denga rak elektronik. Eksperimen ini dijalankan pada suhu -260oC.

Rajah 1: Eksperimen g-2 Muon

Zarah muon berkelajuan tinggi ditembak melalui cincin bermagnet. Ketika muon mengelilingi dan melalui medan magnet yang kuat, paksi spin zarah berputar secara mendadak. Seterusnya, muon mereput menghasilkan elektron dan akan dikesan oleh pengesan disekeliling cincin eksperimen tersebut. Oleh itu, tenaga elektron tersebut juga terhasil daripada betapa cepatnya spin zarah muon itu berputar Tenaga elektron bergantung kepada arah momen magnet muon tersebut, jika momen tersebut mengarah ke depan, maka hasil pereputan iaitu elektron, mempunyai tenaga yang lebih berbanding momen magnet menghala ke belakang. Fluktuasi tenaga elektron daripada pengesanan sepanjang cincin tersebut menyatakan nilai momen magnet muon tersebut.

Penemuan ini juga menjadi petanda kepada fizik baharu yang boleh merombak Model Standard sedia ada. Penemuan ini juga mendapat respon dari ahli fizik kosmologi, terutamanya, Gordan Krnjaic dari Fermilab, “Sekiranya nilai pusat anomali yang diamati kekal tetap, zarah-zarah baru tidak dapat bersembunyi selama-lamanya. Kita akan belajar lebih banyak lagi mengenai asas fizik ke depan.”

Rajah 2: Pereputan elektron dan paksi zarah Muon

Rujukan:

[1] B. Abi et al. (2021). Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. Phys. Rev. Lett. 126, 141801. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801

Kongsikan artikel ini: