Zrozumienie i udoskonalenie współczynnika żyromagnetycznego, czyli „czynnika g”, to coś więcej niż tylko teoretyczne poszukiwania — ma ono bezpośredni wpływ na to, jak ulepszamy rzeczywiste narzędzia, takie jak maszyny MRI, zegary atomowe i czujniki kwantowe. Technologie te polegają na precyzyjnym pomiarze interakcji drobnych cząstek z polami magnetycznymi, a nawet niewielka poprawa w tym zakresie może skutkować ostrzejszymi obrazami, dokładniejszym pomiarem czasu i lepszymi czujnikami.
Współczynnik g to liczba, która pomaga opisać, jak cząstki takie jak elektrony reagują na pola magnetyczne. Mówi nam, jak siła magnetyczna elektronu zależy od sposobu jego wirowania. We wcześniejszych pracach sprzed prawie stu lat fizyk Paul Dirac przewidział, że wartość ta wyniesie dokładnie dwa. Jednak późniejsze odkrycia współczesnej fizyki wykazały, że liczba ta jest nieco większa niż dwa. Ta niewielka różnica, znana jako „anomalny moment magnetyczny”, co oznacza niewielką, ale istotną zmianę w oczekiwanym zachowaniu magnetycznym, stała się użyteczną wskazówką do testowania naszych obecnych teorii na temat działania Wszechświata.
Profesor Jing-Ling Chen, Xing-Yan Fan i Xiang-Ru Xie z Uniwersytetu Nankai przedstawili nowy, odważny pomysł, który może zmienić sposób, w jaki naukowcy myślą o współczynniku g. Ich badania, opublikowane w czasopiśmie naukowym Results in Physics, oferują nowe wyjaśnienie, dlaczego współczynnik g może się zmieniać. Koncepcja, którą nazywają „mieszaniem elektron-braidon”, pokazuje, że nawet bez zastosowania zaawansowanych kwantowych teorii pola, które opisują interakcję cząstek w najmniejszych skalach, współczynnik g elektronu mógłby nadal ulegać zmianom w zauważalny sposób.
W centrum tego pomysłu znajduje się coś, co nazywa się „warkoczem”, wymyślona koncepcja oparta na wzorach plecionek – podobnie jak splatane są ze sobą nici. Wzorce te, zwane relacjami warkoczy, są wykorzystywane w niektórych obszarach fizyki do wyjaśnienia, w jaki sposób cząstki mogą zachowywać się w specjalny sposób, szczególnie w układach, w których liczy się ich rozmieszczenie. Zespół profesora Chena odkrył, że główne równanie opisujące energię elektronu, zwane hamiltonianem Diraca, można traktować jako tylko część większego układu. Na tym szerszym obrazie naturalnie pojawiają się jeszcze dwie wersje tego równania, każda oferująca nieco inny pogląd na ten sam elektron. Łącząc zwykły elektron z alternatywnymi formami, stworzyli mieszaną wersję elektronu, który zachowuje się inaczej w polu magnetycznym.
Ta kombinacja zależy od kilku regulowanych ustawień, zwanych kątami mieszania. Są to wartości określające ilość każdej wersji elektronu w mieszance, np. mieszanie kolorów w różnych proporcjach. Naukowcy wykazali, że zmieniając te kąty, współczynnik g również może się zmienić. W jednym ze zbadanych przykładów współczynnik g zmienia się w oparciu o proste matematyczne powiązanie między tymi kątami a szybkością poruszania się elektronu w porównaniu z jego masą. „Nasze wyniki rzucają nowe światło na problem anomalnych momentów magnetycznych leptonów” – zauważył profesor Chen. Leptony to rodzina cząstek obejmująca elektrony, miony i cząstki tau.
Co ważne, ten proces mieszania nie tworzy żadnych nowych cząstek. Zmienia to po prostu sposób, w jaki istniejący elektron jest opisywany za pomocą narzędzi matematycznych. “Warkocz Diraca nie jest nową cząstką. Mianowicie warkocz Diraca jest w dalszym ciągu elektronem, ale ‘elektronem’ przekształconym unitarnie” – wyjaśnił profesor Chen. Transformacja jednostkowa to metoda matematyczna, która zmienia sposób reprezentacji czegoś bez zmiany jego podstawowych właściwości fizycznych. Innymi słowy, warkocz to po prostu inny sposób przedstawienia tego samego elektronu, a nie innego rodzaju materii.
Metodę tę można również zastosować do innych cięższych cząstek podobnych do elektronów, takich jak miony i cząstki tau. Cząstki te są bardziej podatne na zmiany współczynnika g ze względu na ich większą masę. Korzystając z tych samych równań, naukowcy mogli dowiedzieć się, jaki rodzaj mieszania może wyjaśnić różnice zaobserwowane w eksperymentach. Daje to fizykom nowe narzędzie do zrozumienia dziwnych wyników.
Chociaż pomysł ten jest nadal teoretyczny – co oznacza, że nie został jeszcze potwierdzony w eksperymentach – oferuje ekscytującą możliwość testowania w świecie rzeczywistym. Naukowcy mogliby szukać oznak świadczących o tym, że współczynnik g zmienia się w nowy sposób, nie z powodu sił zewnętrznych czy nowych cząstek, ale z powodu sposobu, w jaki elektron miesza się z jego alternatywnymi wersjami. Jeśli to się potwierdzi, może pomóc w wyjaśnieniu wyników poprzednich eksperymentów i zapewnić lepsze wytyczne dla przyszłych. Profesor Chen sugeruje, że potrzeba więcej pracy, aby zrozumieć głębsze zasady symetrii – podstawowe wzorce, które pomagają wyjaśnić prawa fizyczne – stojące za tym mieszaniem. Na razie profesor Chen uważa, że pomysł ten „toruje fizykom kuszącą drogę do odkrycia «nowej fizyki»”, nawet przy użyciu ugruntowanych koncepcji.
Odniesienie do czasopisma
Chen J.-L., Wentylator X.-Y., Xie X.-R. „Możliwy mechanizm zmiany współczynnika żyromagnetycznego”. Wyniki z fizyki, 2025; 69: 108125. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rinp.2025.108125
O autorze
Jing-Ling Chena jest profesorem fizyki na Uniwersytecie Nankai. Uzyskał tytuł licencjata (1994), tytuł magistra (1997) i stopień doktora (2000) na Uniwersytecie Nankai, PR China. Był stażystą podoktorskim w Pekińskim Instytucie Fizyki Stosowanej (2000-2002) i pracownikiem naukowym na Uniwersytecie Narodowym w Singapurze (2002-2005). Jego zainteresowania badawcze obejmują fizykę kwantową i informację kwantową, zwłaszcza podstawowe problemy kwantowe, takie jak paradoks EPR, splątanie kwantowe, sterowanie EPR, nielokalność Bella i kontekstualność kwantowa. Za swój wkład w podstawy kwantowe zdobył nagrodę Paul Ehrenfest Best Paper Award for Quantum Foundations (2021). Ostatnio dokonał kilku oryginalnych badań nad spinem, takich jak zaproponowanie potencjału wektora spinu, przedstawienie spinowego efektu Aharonova-Bohma i przewidzenie spinowej fali pędu.
