Myonin magneettimomentti

Vielä kaksikymmentäviisi vuotta sitten teorian ennusteen ja kokeellisten mittausten välillä näytti olevan ristiriitaa siinä, kuinka voimakas myonin magneettikenttä on. Tällä vuosikymmenellä saadut uudet teoreettiset laskelmat ovat korjanneet ennustetta. Nyt se on sopusoinnussa kokeellisten tulosten kanssa.

Standardimalli on hiukkasfysiikan perusteoria. Se on kvanttikenttäteoria, joka selittää sähkömagneettisen, heikon ja vahvan vuorovaikutuksen sekä niihin osallistuvat hiukkaset. Malli kehitettiin 1970-luvun alussa. Myoni on elektronin kaltainen alkeishiukkanen (leptoni).  Sähkövaraus ja spin ovat samat kuin elektronilla, mutta massa 207-kertainen. Se on epävakaa, keskimääräinen elinaika 2,2 ms. Myoni kuuluu aineen toiseen perheeseen lumo- ja outokvarkin sekä myonin neutriinon kanssa. Magneettinen momentti on hiukkasen ominaisuus, joka ilmenee hiukkasen vuorovaikutuksena magneettikentän kanssa, esimerkiksi siis siinä, miten hiukkasen liikerata kaartuu magneettikentässä.

Myonin magneettista momenttia on yritetty mitata jo 1950-luvun lopulta lähtien[1]. Vielä 25 vuotta sitten saatiin myonin spinin aiheuttaman magneettisen momentin arvosta mittaustuloksia, jotka poikkesivat erittäin merkitsevästi (p < 0,000004) teorian antamasta arvosta[2]. Kyse ei ollut vain lukuarvosta ja tarkkuudesta. Ero oli nimittäin niin suuri, että se loi epävarmuutta koko standardimallin ylle. Luontohan lopulta ratkaisee teorian pätevyyden eikä päinvastoin. Tuntui siltä, että eron selittämiseksi olisi tarvittu jokin uusi perusvoima neljän aikaisemmin tunnetun lisäksi ja sen välittäjähiukkanen. Todellisen pettymyksen uhka hiukkasfyysikoille ja kouluopetuksen perustalle. Eikä viidennestä perusvoimasta haaveilemisesta ole luovuttu mediassa vieläkään[3].

Standardimallista laskettujen ja koetuloksina saatujen tulosten ero säilyikin pitkään mysteerinä[4]. Kun uudetkin koetulokset näyttivät myonin olevan magneettisempi kuin standardimallin perusteella tehdyt laskelmat osoittivat, otettiin tarkistettavaksi standardimallin antama ennuste. Tämä vaati satojen ihmisten yhteistyötä ja supertietokoneiltakin miljoonien tuntien laskenta-aikaa. Tämän vuosikymmenen alussa tehdyt laskelmat osoittivat, että teorian ennustetta piti korjata[5]. Uusien laskelmien antama teoreettinen ennuste sopi yhteen koetulosten kanssa.

Monet fyysikkoryhmät ovat jatkaneet teoreettisten laskelmien tarkistamista. Joidenkin motiivina on tieteellinen kunnianhimo. Jos voitaisiin osoittaa, että standardimallia pitäisi laajentaa viidennellä perusvoimalla, niin se tuottaisi varmasti Nobel-palkinnon ja muutakin mainetta ja kunniaa.  Toistaiseksi uusia poikkeavia tuloksia ei ole saatu, vaan standardimalli on kestänyt.

Lähteitä ja lisää luettavaa

[1] Wikipedia-artikkeli Muon g-2 
https://en.wikipedia.org/wiki/Muon_g-2

[2]Salomaa, Santeri (2023): Myonin anomaalinen magneettinen momentti. Pro gradu -tutkielma, Turun yliopisto.
https://www.utupub.fi/bitstream/handle/10024/175435/Salomaa_Santeri_opinnayte.pdf;jsessionid=F5ABD7F9C7A72F7BD17C8861525F421B?sequence=1

[3] Kärkkäinen, T. (2022): Löytyykö viides voima? Tieteessä tapahtuu, vol. 40 Nro 3. 
https://www.tieteessatapahtuu.fi/numerot/3-2022/loytyyko-viides-voima-tutkimuskentta-joka-saattaa-laajentaa-fysiikan-standardimallia

[4] Clark, G. (2025): Physics and the value of scientific disappointment. Phys.org, Questions and Answers.
https://phys.org/news/2025-06-qa-physics-scientific-disappointment.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter

[5] Fodor, Z. (2021): Proof of new physics from the muon's magnetic moment? Maybe not, according to a new theoretical calculation. Science X news.
https://sciencex.com/news/2021-04-proof-physics-muon-magnetic-moment.html