دوازده سال از زمانی که فیزیکدانان یک حلقه مغناطیسی غول‌پیکر را در طول ساحل اقیانوس اطلس، دور فلوریدا، در طول رودخانه می‌سی‌سی‌پی و از میان دو بزرگراه به باتاویا، ایلینوی منتقل کردند، می‌گذرد. روز سه‌شنبه، تیمی که در پس این حلقه قرار داشتند، نتیجه نهایی خود را رونمایی کردند: دقیق‌ترین مقدار ثبت‌شده تاکنون برای نوسان ریز یک ذره زیراتمی به نام میون.
فیزیکدانان امیدوار بودند که این اندازه‌گیری، که برای انتشار در ژورنال Physical Review Letters ارسال شده است، پنجره‌ای را به انواع جدیدی از انرژی و ماده باز کند که تاکنون فقط در حد نظریه بوده‌اند.
پیتر وینتر، فیزیکدان آزمایشگاه ملی آرگون و سخنگوی همکاری Muon g-2، که این آزمایش را در آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده فرمی (فرمی‌لب) اجرا کرد، گفت: «ما می‌خواهیم بدانیم که کیهان ما چگونه شکل گرفته، از چه چیزی ساخته شده و چگونه تعامل می‌کند.» او افزود که نتیجه جدید «برای سال‌های آینده به عنوان یک معیار باقی خواهد ماند.»
اما یک مشکل اساسی باقی مانده است. فیزیکدانان دو مقدار متمایز را برای نوسان میون پیش‌بینی کرده‌اند، اما مطمئن نیستند که کدام یک صحیح است. نتیجه جدید با یکی از پیش‌بینی‌ها مطابقت دارد، اما تا زمانی که پیش‌بینی دیگر به طور قانع‌کننده‌ای توضیح داده نشود، دانشمندان نخواهند دانست که آیا شواهدی از فیزیک جدید کشف کرده‌اند یا خیر.
آیدا الخضرا، فیزیکدان دانشگاه ایلینوی اربانا-شمپین که رهبری ابتکار نظریه Muon g-2 را بر عهده دارد، گفت: «آزمایش فرمی‌لب به شدت موفقیت‌آمیز بوده، آن‌ها کار خود را به درستی انجام دادند.»
دکتر الخضرا اضافه کرد که تا زمانی که وضعیت روشن شود، «هیئت داوران هنوز در حال بررسی هستند.»
میون‌ها شبیه الکترون‌ها هستند اما بسیار سنگین‌تر و ذاتاً ناپایدارند. هنگامی که در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، مانند یک فرفره چرخان، پیشروی یا نوسان می‌کنند. سرعت این نوسان به خاصیتی از میون بستگی دارد که مربوط به مغناطیس داخلی آن است، که فیزیکدانان آن را g می‌نامند.
در غیاب ذرات نزدیک، g باید دقیقاً برابر با ۲ باشد. اما طبق نظریه کوانتوم، حتی فضای خالی هم واقعاً خالی نیست: پر از به اصطلاح «ذرات مجازی» از هر نوع است که به سرعت ظاهر و ناپدید می‌شوند. آن‌ها به اندازه کافی دوام می‌آورند تا با میون تعامل کنند، و کمی نوسان آن را تغییر داده و g را از ۲ دور می‌کنند.
دکتر وینتر این اثر را به شیوه حرکت برگ‌های درخت در باد تشبیه کرد. نیرو نامرئی است، اما تعامل آن با برگ‌ها بسته به قدرت و جهت باد قابل پیش‌بینی است. او گفت: اندازه‌گیری اینکه آیا برگ‌ها همانطور که انتظار می‌رفت حرکت کردند، نشان می‌دهد که آیا مدل باد شما صحیح بوده است.
فیزیکدانان برای پیش‌بینی میزان انحراف g از ۲، بر مجموعه ذرات و نیروهای موجود در مدل استاندارد — بهترین نظریه آن‌ها در مورد چگونگی ظاهر و رفتار کیهان در مقیاس‌های زیراتمی — تکیه می‌کنند. آن‌ها این انحراف را g-2 (جی منهای دو) می‌نامند. با این حال، حدس آن‌ها این است که مدل استاندارد ناقص است زیرا فاقد توضیحی برای معماهای کلیدی در فیزیک است، مانند ماهیت ماده تاریک یا اینکه چرا ذرات خاصی که به عنوان نوترینو شناخته می‌شوند می‌توانند جرم داشته باشند.
اگر ذرات یا نیروهای کشف‌نشده‌ای در کار باشند، اندازه‌گیری g-2 به فیزیکدانان کمک می‌کند تا آن‌ها را بیابند، زیرا مقدار آن با آنچه مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند متفاوت خواهد بود. اما محاسبه یک پیش‌بینی به طرز مشهوری دشوار بوده است. به طور سنتی، نظریه‌پردازان از یک محاسبه مستقیم اجتناب کرده‌اند، در عوض داده‌های مربوطه را از آزمایش‌های ذرات در سراسر جهان جمع‌آوری کرده و به عقب بازگشته‌اند تا یک پیش‌بینی نظری برای g-2 به دست آورند.
دکتر الخضرا گفت: «به نوعی، اگر شما یک نظریه‌پرداز مانند من باشید، این تقلب است»، زیرا از محاسبه مستقیم بر اساس نظریه اجتناب می‌کند. «اما یک رویکرد کاملاً معتبر است.»
در همین حال، آزمایش‌کنندگان مشغول اندازه‌گیری بوده‌اند. در دهه ۱۹۹۰، دانشمندان در آزمایشگاه ملی بروکهاون در نیویورک شروع به کار با یک آهن‌ربای حلقه‌ای به قطر ۵۰ فوت کردند. میون‌ها در اطراف آن حلقه حرکت می‌کردند و نوسانات آن‌ها توسط آشکارسازهای کنار حلقه ثبت می‌شد.
نتیجه آن آزمایش یک نتیجه وسوسه‌انگیز برای g-2 — انحراف g از ۲ — بود که به نظر می‌رسید پیش‌بینی نظری را به چالش می‌کشد. اختلاف بین آنچه آن‌ها اندازه‌گیری کردند و پیش‌بینی نظری برای g-2 در سطح ۳.۷ سیگما بود، که واحد عدم قطعیت مورد استفاده فیزیکدانان است. (اختلاف ۵ سیگما استاندارد عمومی برای ادعای یک کشف است.)
دوازده سال بعد، در یک شاهکار بزرگ لجستیکی، فیزیکدانان ۳۵ روز را صرف کردند تا حلقه مغناطیسی را با بارج و کامیون از بروکهاون به فرمی‌لب منتقل کنند، جایی که یک منبع قوی‌تر میون‌ها به آن‌ها امکان می‌داد داده‌های بیشتری را با دقت بالاتری جمع‌آوری کنند. در سال ۲۰۲۱، دانشمندان مقدار g-2 را که ابتدا در بروکهاون اندازه‌گیری شده بود، تأیید کردند. عدم تطابق بین اندازه‌گیری آن‌ها و پیش‌بینی نظری به ۴.۲ سیگما و سپس در سال ۲۰۲۳ به بیش از ۵ سیگما رسید.
اما فیزیکدانان از ادعای کشف خودداری کردند زیرا راهی متفاوت و مستقیم‌تر برای پیش‌بینی g-2 از مدل استاندارد پدیدار شده بود. این روش، که شامل استفاده از ابررایانه‌ها برای شبیه‌سازی جهان به عنوان یک شبکه چهاربعدی از نقاط فضا-زمان است، اصلاً به هیچ داده‌ای متکی نیست. این مزیت نسبت به پیش‌بینی قبلی دارد، که بر داده‌های تجربی تکیه می‌کرد، که برخی از آن‌ها اکنون متناقض هستند.
مقایسه پیش‌بینی جدیدتر با مقدار g-2 که با دقت فزاینده‌ای در فرمی‌لب اندازه‌گیری شده است، هیچ اختلافی بین نظریه و آزمایش نشان نمی‌دهد، که به هیچ کشفی اشاره نمی‌کند.
نظریه‌پردازان از آن زمان سعی کرده‌اند دو پیش‌بینی خود را با هم تطبیق دهند، حتی در حالی که دانشمندان فرمی‌لب با اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر و دقیق‌تر نوسان میون پیش رفتند. مقدار نهایی g-2 آن‌ها، که روز سه‌شنبه به جهان اعلام شد و از صدها میلیارد میون مشاهده شده محاسبه شده است، ۰.۰۰۲۳۳۱۸۴۱۴۱ است.
این همان مقداری است که بیش از دو دهه پیش در بروکهاون اندازه‌گیری شده بود، اما با دقت بسیار بالاتری، یعنی ۱۲۷ قسمت در میلیارد. این دقت به اندازه‌گیری طول یک زمین فوتبال با خطایی کمتر از عرض یک تار مو است.
مارکو اینکاگلی، فیزیکدان مؤسسه ملی فیزیک هسته‌ای ایتالیا و سخنگوی همکاری فرمی‌لب، گفت که اکنون توپ در زمین نظریه‌پردازان است.
دکتر اینکاگلی گفت، با اتمام رسمی همکاری Muon g-2، «همزمان هم آسوده خاطر هستم و هم غمگین.» نتایج دیگر این همکاری، از جمله جستجو برای ماده تاریک، در راه است. این تیم همچنین منتظر اندازه‌گیری آینده g-2 توسط دانشمندان ژاپنی با استفاده از یک تکنیک تجربی متفاوت است.
و نظریه‌پردازان به راه خود ادامه می‌دهند. فیزیک جدید شاید بتواند شکاف پایدار بین پیش‌بینی‌های آن‌ها را توضیح دهد. اما حتی اگر کشفی هم انجام نشود، دکتر الخضرا گفت که این تلاش بیهوده نبوده است. دانستن اینکه چه نوع فیزیکی نمی‌تواند وجود داشته باشد، به نظریه‌پردازان کمک می‌کند تا تصور کنند چه نوع فیزیکی می‌تواند وجود داشته باشد و جهان را بهتر درک کنند.
دکتر الخضرا گفت: «واقعاً مهم است که هر دو روش را داشته باشیم، آن‌ها را با یکدیگر مقایسه کنیم، تا آنچه را که شروع کرده‌ایم به پایان برسانیم.» او افزود: «این کار مستمر بینش‌های عمیقی به همراه خواهد داشت.»