Measurement of electromagnetic transition form factors in two-photon collisions at BESIII

Het universum wordt bijeen gehouden door krachten die niet altijd zichtbaar zijn, en een van de meest hardnekkige mysteries in de moderne natuurkunde betreft een minuscuul deeltje genaamd het muon. Dit deeltje is een zwaardere neef van het elektron en bezit een magnetische eigenschap die ervoor zorgt dat het wiebelt terwijl het draait. Wetenschappers hebben exact berekend hoe groot deze wiebel zou moeten zijn op basis van het Standaardmodel, de beste theorie die we hebben voor hoe het universum werkt. Echter, wanneer ze de wiebel in de echte wereld meten, is de uitslag anders. Deze kloof tussen voorspelling en werkelijkheid is een teken dat er iets ontbreekt in ons begrip, misschien een nieuwe natuurkracht of een fout in hoe we het gedrag van de sterke kernkracht bij lage energieën berekenen. Om dit puzzelstukje op te lossen, moeten natuurkundigen hun berekeningen van hoe deeltjes met elkaar interageren verfijnen, waarbij ze specifiek kijken naar hoe licht en materie botsen op manieren die moeilijk te voorspellen zijn met de huidige wiskunde.

Om een duidelijker beeld te krijgen, hebben onderzoekers nauwkeurige gegevens nodig over hoe bepaalde deeltjes reageren wanneer ze tegelijkertijd worden geraakt door twee lichtbundels. Dit proces, bekend als twee-foton-fusie, is de sleutel tot het begrijpen van de "hadronische licht-door-licht"-verstrooiing die bijdraagt aan de magnetische wiebel van het muon. Theoretische modellen worstelen om deze interactie te beschrijven op de lage energieniveaus waar de belangrijkste effecten plaatsvinden. Bijgevolg moeten wetenschappers vertrouwen op experimenten die deze botsingen direct kunnen observeren. Het BESIII-experiment, gevestigd in Beijing, China, werkt op een energieniveau dat uniek geschikt is om deze zeldzame gebeurtenissen te observeren. Door elektronen en positronen te laten botsen, creëert de machine een regen van deeltjes, inclus{\textem} de neutrale pionnen en andere kortstondige toestanden, waardoor natuurkundigen kunnen meten hoe deze deeltjes worden gevormd wanneer ze door twee fotonen worden geraakt.

In dit recente werk gebruikte de BESIII-collaboratie een enorme collectie botsingsgegevens om de elektromagnetische transitievormfactoren van verschillende lichte deeltjes te meten. Een transitievormfactor is in essentie een kaart die laat zien hoe de interne structuur van een deeltje verandert wanneer het wordt geraakt door een foton met een specifieke energie. Het team richtte zich eerst op de neutrale pion, een fundamenteel deeltje bestaande uit een quark en een antiquark. Met behulp van 2,93 fb⁻¹ aan botsingsgegevens maten zij hoe de pion reageert op een enkel virtueel foton — een foton dat slechts voor een vluchtig moment bestaat tijdens de botsing — over een reeks lage energieën. Het resultaat was een zeer nauwkeurige meting die een gat vult dat door eerdere experimenten is achtergelaten. Wanneer deze wordt vergeleken met bestaande theorieën, biedt de nieuwe data een strenge test, die helpt om verschillende wiskundige modellen die de sterke kracht proberen te beschrijven, van elkaar te onderscheiden. De metingen komen goed overeen met enkele theoretische voorspellingen terwijl ze andere uitsluiten, wat een helderder pad biedt naar het berekenen van het magnetisch moment van het muon.

Naast de enkele pion onderzochten de onderzoekers ook wat er gebeurt wanneer twee fotonen botsen om een paar neutrale pionnen te produceren. Dit proces is complexer omdat het intermediaire toestanden of tijdelijke resonanties omvat die fungeren als tussenstappen tussen de initiële botsing en de uiteindelijke deeltjes. Het team analyseerde de gegevens om de bijdragen van specifieke deeltjes te scheiden, waaronder de scalaire mesonen bekend als f0(500) en f0(980), en het tensor-meson f2(1270). Door de gegevens zorgvuldig te sorteren op basis van de energie van de botsing en de hoek waaronder de deeltjes verschijnen, waren zij in staat de signalen van deze kortstondige toestanden te isoleren. Dit stelde hen in staat om de transitievormfactoren voor deze deeltjes te extraheren, wat de eerste meting ooit opleverde voor de f0(500) TFF, naast de meest nauwkeurige en laag-energetische bepalingen voor de f0(980) en f2(1270) TFFs. De gegevens onthulden de interne structuur van deze deeltjes met een precisie die voorheen niet was bereikt, en lieten zien hoe zij interageren met licht bij lage energieën.

De betekenis van deze bevindingen strekt zich uit voorbij het louter catalogiseren van deeltjeseigenschappen. De nieuwe metingen leveren de cruciale experimentele input die nodig is om de theoretische voorspellingen voor het afwijkende magnetische moment van het muon aan te scherpen. Door de onzekerheid in de hadronische licht-door-licht-verstrooiingsbijdrage te verminderen, helpt dit werk om te verhelderen of de discrepantie tussen theorie en experiment wordt veroorzaakt door nieuwe fysica of simpelweg door een beperking in onze huidige modellen. Het BESIII-team heeft aangetoond dat het met grote datasets en zorgvuldige analyse mogelijk is om de binnenwereld van deze deeltjes met ongekende nauwkeurigheid te onderzoeken. Vooruitblikkend plant het experiment zelfs grotere datasets te gebruiken om de vormfactoren van andere deeltjes te meten, waaronder de f1(1285), die naar verwachting nog belangrijker zal zijn voor het oplossen van het muon-mysterie. Deze inspanningen vertegenwoordigen een gestage, methodische stap naar het oplossen van een van de meest intrigerende vragen in de deeltjesfysica, waarmee de wetenschappelijke gemeenschap dichter bij het begrijpen komt van de fundamentele krachten die ons universum vormen.