Voitto vailla iloa
Viime viikolla Zoltan Fodor Pennsylvanian osavaltion yliopistosta (ja useista muista instituuteista) puhui Helsingin yliopistolla Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa myonin magneettisesta momentista.
Aihe sai vuonna 2021 paljon julkisuutta, kun hiukkasfysiikan tutkimuslaitos Fermilab pisti ulos lehdistötiedotteen, jonka mukaan sen uudet mittaukset tarjoavat ”vahvaa todistusaineistoa” tuntemattomasta fysiikasta. Sanomalehdet hehkuttivat tulosta Atlantin molemmin puolin: vaikutusvaltainen yhdysvaltalainen julkaisu The New York Times piti uutista verkkosivujensa etusivulla peräti kaksi viikkoa.
Sattumalta Fermilabilta tuli viime viikolla aiheesta uusi lehdistötiedote juuri samana päivänä, kun Fodor puhui Helsingissä. Siinä kehutaan Fermilabin nyt julkistettujen koetulosten parempaa tarkkuutta ja kerrotaan, miten iso ryhmä teoreettisia fyysikoita (Fodorin mukaan vuonna 2020 heitä oli 134, kaksi vuotta myöhemmin yli 200) perusti kansainvälisen yhteisprojektin myonin magneettisen momentin laskemiseksi teoreettisesti.
Vuonna 2020 ryhmän tulos oli pahassa ristiriidassa Fermilabin kokeiden kanssa, ja kun teoreetikot päivittivät ennustusta vuonna 2023, ero kasvoi niin isoksi, että Fermilab olisi voinut julistaa tehneensä löydön, jos sen johto olisi uskonut sekä kokeiden että teoreettisen laskun tulosta. Fermilab ei tehnyt niin. Fodorin työ selittää miksi.
Fermilabin vuoden 2021 tiedote vaikeni siitä, että edellisenä vuonna Fodor ja yhteistyökumppanit olivat julkistaneet laskunsa, jonka tulos oli sopusoinnussa Fermilabin kokeiden kanssa. Uudessa tiedotteessa tätä ei ole ohitettu, mutta pääpaino on pantu sille, että iso teoriaryhmä on uusinut laskunsa ja tulos on nyt lähempänä mittauksia.
Olisi kenties ollut aiheellista mainita, että tämä uusi tulos on räikeässä ristiriidassa saman ryhmän vuosien 2020 ja 2023 laskujen kanssa, eli ne olivat pahasti väärin. Fodor täytti puheessaan Fermilabin tiedotteesta puuttuvat palaset.
Teoreetikoiden joukko, jossa Fodor on mukana, oli Fermilabin mainostamaa ryhmää paljon pienempi. Se myös käytti erilaista menetelmää, ja sen tulos on ollut koko ajan oikein: fysiikassa tutkijoiden lukumäärä tai enemmistön mielipide eivät ratkaise.
Iso teoriaryhmä on korvannut laskun vaikeat osat eri kokeista mitatuilla tuloksilla. Fodorin mukaan jo 2020 oli tiedossa, että osa näistä koetuloksista oli keskenään ristiriidassa, mikä teki niiden yhdistämisestä kyseenalaista. Fodor ja kumppanit laskivat sen sijaan tulokset numeerisesti supertietokoneella. Nämä laskut ovat hyvin vaativia. Niissä pitää täsmällisesti yhdistää kaikki hiukkasfysiikan Standardimallin kolme vuorovaikutusta, sähkömagneettinen, heikko ja vahva.
Fodorin ja kumpp. laskun tulos sopii yhteen kokeiden kanssa miljardisosan sadasosan tarkkuudella. Tämä on voitto fysiikalle ja huolelliselle työlle, missä selvitetään yksityiskohdat seikkaperäisesti. Riemua ei ole silti ilmassa: Fodor totesi, että hän olisi ennemmin halunnut varmistaa löydön.
Ennenaikaiset julistukset eivät ole tavattomia. Vuonna 2011 OPERA-koeryhmä vihjasi löytäneensä ylivalonnopeudella kulkevia neutriinoita ja vuonna 2014 BICEP2-koeryhmä väitti löytäneensä muinaisen maailmankaikkeuden gravitaatioaaltoja. Nyt tilanne on erilainen: Fermilabin verrattoman tarkoissa koetuloksissa ei ole mitään vikaa. (Fodor vertasi tarkkuutta siihen, että henkilövaaka erottaisi yhden silmäripsen painon.) Uudet mittaukset sopivat yhteen aiempien kanssa, ja ovat vahvistaneet niiden luotettavuutta.
Tällä kertaa ongelma oli teorian puolella, mutta yhteistä OPERAn ja BICEP2:n kanssa on se, että julkistushetkellä oli tiedossa avoimia kysymyksiä, joiden takia olisi ollut syytä pysähtyä ja harkita asiaa uudelleen.
Siteerasin vuoden 2021 blogimerkinnässä Fermilabin koeryhmän jäsentä, joka (mielestäni liioitellusti) sanoi myonin magneettisen momentin olevan hiukkasfysiikan viimeinen toivo. Nyt ei ole enää mitään ristiriitaa kokeiden ja teorian välillä. Fodor totesi, että myonin magneettisen momentin saralla kumpikaan ei parane hänen elinaikanaan niin paljon, että voisi odottaa mitään mielenkiintoista. CERNin LHC-kiihdytin jatkaa datan jauhamista, mutta myös hiukkaskiihdytinten osalta vaikuttaa siltä, että ei ole paluuta menneisiin aikoihin, jolloin ne tekivät jatkuvasti löytöjä ja johtivat perustavanlaatuisen fysiikan tutkimusta.
Eikö myonin magneettisesta momentista ollut siis olemassa teoreettisia laskuja ennen Fermilabin ekaa tulosta? Ilmeisesti sitä on vaikeaa laskea, kun puuhaan tarvittiin noin paljon väkeä?
Myonin magneettista momenttia on laskettua teoreettisesti vuosikymmeniä. Mutta kun mittaukset paranevat, tarvitaan myös tarkempia kokeellisia laskuja, joten niitä on pitänyt päivittää. Hyvin tarkkoja ja vaikeita laskuja ei kannata tehdä paljoa tarkemmin kuin mitä kokeet pystyvät mittaamaan.
Fermilabin tulokset tulivat vuonna 2021. Ison teoriaryhmän sekä Fodorin ja kumpp. ensimmäiset tulokset vastaavalla tarkkuudella julkaistiin vuonna 2020. (Korjasin nyt vuoden tekstiin.)
Fodorin ja kumpp. ryhmässä on kymmenisen ihmistä, ja on muitakin pieniä ryhmiä. En tiedä, vaatiiko isomman ryhmän käyttämä menetelmä enemmän väkeä, vai oliko kyse vain siitä, että haluttiin saada muka kaikkien teoreetikkojen edustava yhteinen näkemys (mitä se ei koskaan ollut).
Myonin g-2:n kohdalla hila-QCD antaa standardimallin sisäisen arvion, joka on tilastollisesti yhteensopiva mittausten kanssa. Tämä ei kuitenkaan tarjoa analyyttistä selitystä sille, miksi juuri myoni poikkeaa, vaikka elektroni ei. Hila-QCD simuloi tunnettuja vuorovaikutuksia, mutta ei paljasta uuden rakenteen olemassaoloa — se siis “täyttää reiän”, mutta ei kerro, miksi reikä on siellä. Tilanne muistuttaa enemmän virtuaalista mittaamista kuin syy-analyysia. Tämä jättää perustellusti tilaa teorioille, jotka pyrkivät tunnistamaan g-2-poikkeaman syyn kenttien geometriasta, topologiasta tai yleisemmästä rakenteesta.
Elektronin ja myonin magneettisen momentin tilanne on samanlainen: kummassakin tapauksessa hiukkasfysiikan Standardimallin ennuste vastaa havaintoja suurella tarkkuudella. (Elektronille 10^(-14), myonille 10^(-11).) Niiden suhteen ei siis ole mitään selitettävää.