Το πείραμα «Last Hope» βρίσκει στοιχεία για άγνωστα σωματίδια
Είκοσι χρόνια μετά από μια προφανή ανωμαλία στη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων που δημιούργησε ελπίδες για μια σημαντική ανακάλυψη της φυσικής, μια νέα μέτρηση τις ενίσχυσε:Οι φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi κοντά στο Σικάγο ανακοίνωσαν σήμερα ότι τα μιόνια —στοιχειώδη σωματίδια παρόμοια με τα ηλεκτρόνια— ταλαντεύτηκαν περισσότερο από το αναμενόμενο ενώ χτυπάτε γύρω από ένα μαγνητισμένο δαχτυλίδι.
Η πολυαναμενόμενη νέα μέτρηση επιβεβαιώνει το αποτέλεσμα δεκαετιών, που έγινε πρωτοσέλιδο σε όλο τον κόσμο. Και οι δύο μετρήσεις της ταλάντωσης του μιονίου, ή της μαγνητικής ροπής, υπερβαίνουν σημαντικά τη θεωρητική πρόβλεψη, όπως υπολογίστηκε πέρυσι από μια διεθνή κοινοπραξία 132 θεωρητικών φυσικών. Οι ερευνητές του Fermilab εκτιμούν ότι η διαφορά έχει αυξηθεί σε ένα επίπεδο που ποσοτικοποιείται ως "4,2 σίγμα", καθ' οδόν προς το αυστηρό επίπεδο πέντε σίγμα που χρειάζονται οι φυσικοί για να διεκδικήσουν μια ανακάλυψη.
Λαμβάνοντας υπόψη την ονομαστική τους αξία, η ασυμφωνία υποδηλώνει έντονα ότι άγνωστα σωματίδια της φύσης δίνουν στα μιόνια μια επιπλέον ώθηση. Μια τέτοια ανακάλυψη θα προανήγγειλε επιτέλους την κατάρρευση του 50χρονου Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής — του συνόλου των εξισώσεων που περιγράφουν τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις.
«Σήμερα είναι μια εξαιρετική μέρα, την οποία περιμένουμε πολύ όχι μόνο από εμάς αλλά και από ολόκληρη τη διεθνή κοινότητα φυσικής», είπε ο Graziano Venanzoni, ένας από τους ηγέτες του πειράματος Fermilab Muon g-2 και φυσικός στο Ιταλικό Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής. τον Τύπο.
Ωστόσο, ακόμη κι αν πολλοί φυσικοί των σωματιδίων είναι πιθανό να πανηγυρίζουν - και να αγωνίζονται για να προτείνουν νέες ιδέες που θα μπορούσαν να εξηγήσουν την ασυμφωνία - μια εργασία που δημοσιεύτηκε σήμερα στο περιοδικό Nature ρίχνει τη νέα μέτρηση μιονίων σε ένα δραματικά πιο θαμπό φως.
Το έγγραφο, το οποίο εμφανίστηκε τη στιγμή που η ομάδα Fermilab παρουσίασε τη νέα της μέτρηση, υποδηλώνει ότι η μετρούμενη ταλάντωση του μιονίου είναι ακριβώς αυτό που προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Στο έγγραφο, μια ομάδα θεωρητικών γνωστών ως BMW παρουσιάζει έναν υπερσύγχρονο υπολογισμό υπερυπολογιστή του πιο αβέβαιου όρου που εμπίπτει στην πρόβλεψη του Standard Model για τη μαγνητική ροπή του μιονίου. Η BMW υπολογίζει ότι αυτός ο όρος είναι σημαντικά μεγαλύτερος από την αξία που υιοθετήθηκε πέρυσι από την κοινοπραξία, έναν όμιλο γνωστό ως Theory Initiative. Ο μεγαλύτερος όρος της BMW οδηγεί σε μεγαλύτερη συνολική προβλεπόμενη τιμή της μαγνητικής ροπής του μιονίου, ευθυγραμμίζοντας την πρόβλεψη με τις μετρήσεις.
Εάν ο νέος υπολογισμός είναι σωστός, τότε οι φυσικοί μπορεί να έχουν περάσει 20 χρόνια κυνηγώντας ένα φάντασμα. Αλλά η πρόβλεψη της Theory Initiative βασίστηκε σε μια διαφορετική υπολογιστική προσέγγιση που έχει τελειοποιηθεί εδώ και δεκαετίες και θα μπορούσε κάλλιστα να είναι σωστή. Σε αυτήν την περίπτωση, η νέα μέτρηση της Fermilab αποτελεί το πιο συναρπαστικό αποτέλεσμα στη σωματιδιακή φυσική εδώ και χρόνια.
"Πρόκειται για μια πολύ ευαίσθητη και ενδιαφέρουσα κατάσταση", δήλωσε ο Zoltan Fodor, ένας θεωρητικός φυσικός σωματιδίων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια που είναι μέλος της ομάδας BMW.
Ο ίδιος ο υπολογισμός της BMW δεν αποτελεί έκτακτη είδηση. το χαρτί εμφανίστηκε για πρώτη φορά ως προτύπωση πέρυσι. Η Aida El-Khadra, θεωρητικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις που συνδιοργάνωσε την Πρωτοβουλία Θεωρίας, εξήγησε ότι ο υπολογισμός της BMW πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη, αλλά ότι δεν ελήφθη υπόψη στη συνολική πρόβλεψη της Πρωτοβουλίας Θεωρίας, επειδή χρειαζόταν ακόμη έλεγχο. Εάν άλλες ομάδες επαληθεύσουν ανεξάρτητα τον υπολογισμό της BMW, η Theory Initiative θα τον ενσωματώσει στην επόμενη αξιολόγησή της.
Ο Dominik Stöckinger, θεωρητικός στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δρέσδης που συμμετείχε στην Πρωτοβουλία Θεωρίας και είναι μέλος της ομάδας Fermilab Muon g-2, είπε ότι το αποτέλεσμα της BMW δημιουργεί «μια ασαφή κατάσταση». Οι φυσικοί δεν μπορούν να πουν εάν εξωτικά νέα σωματίδια πιέζουν μιόνια μέχρι να συμφωνήσουν για τις επιπτώσεις των 17 σωματιδίων του Καθιερωμένου Μοντέλου που ήδη γνωρίζουν.
Ανεξάρτητα από αυτό, υπάρχουν πολλοί λόγοι για αισιοδοξία:Οι ερευνητές τονίζουν ότι ακόμα κι αν η BMW έχει δίκιο, το αινιγματικό χάσμα μεταξύ των δύο υπολογισμών θα μπορούσε από μόνο του να υποδηλώνει νέα φυσική. Αλλά προς το παρόν, τα τελευταία 20 χρόνια σύγκρουσης μεταξύ θεωρίας και πειράματος φαίνεται να έχουν αντικατασταθεί από κάτι ακόμα πιο απροσδόκητο:μια μάχη θεωρίας εναντίον θεωρίας.
Σταματικά μιόνια
Ο λόγος που οι φυσικοί περίμεναν με ανυπομονησία τη νέα μέτρηση του Fermilab είναι ότι η μαγνητική ροπή του μιονίου - ουσιαστικά η ισχύς του εγγενούς μαγνητισμού του - κωδικοποιεί έναν τεράστιο όγκο πληροφοριών για το σύμπαν.
Πριν από έναν αιώνα, οι φυσικοί υπέθεσαν ότι οι μαγνητικές ροπές των στοιχειωδών σωματιδίων θα ακολουθούσαν τον ίδιο τύπο με τα μεγαλύτερα αντικείμενα. Αντίθετα, βρήκαν ότι τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται σε μαγνητικά πεδία διπλάσια από ό,τι αναμενόταν. Ο «γυρομαγνητικός λόγος» τους ή ο «παράγοντας g» - ο αριθμός που συσχετίζει τη μαγνητική ροπή τους με τις άλλες ιδιότητές τους - φαινόταν να είναι 2, όχι 1, μια ανακάλυψη έκπληξη που εξηγήθηκε αργότερα από το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια είναι «σπιν-1/2». σωματίδια, τα οποία επιστρέφουν στην ίδια κατάσταση αφού κάνουν δύο πλήρεις στροφές αντί για μία.
Για χρόνια, τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και τα μιόνια θεωρούνταν ότι είχαν συντελεστές g ακριβώς 2. Αλλά στη συνέχεια, το 1947, ο Polykarp Kusch και ο Henry Foley μέτρησαν τον παράγοντα g του ηλεκτρονίου σε 2,00232. Ο θεωρητικός φυσικός Julian Schwinger εξήγησε σχεδόν αμέσως τα επιπλέον κομμάτια:Έδειξε ότι οι μικρές διορθώσεις προέρχονται από την τάση ενός ηλεκτρονίου να εκπέμπει στιγμιαία και να επαναρροφεί ένα φωτόνιο καθώς κινείται στο διάστημα.
Πολλές άλλες φευγαλέες κβαντικές διακυμάνσεις συμβαίνουν επίσης. Ένα ηλεκτρόνιο ή ένα μιόνιο μπορεί να εκπέμπει και να επαναρροφήσει δύο φωτόνια, ή ένα φωτόνιο που για λίγο γίνεται ηλεκτρόνιο και ποζιτρόνιο, μεταξύ των αμέτρητων άλλων δυνατοτήτων που επιτρέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο. Αυτές οι προσωρινές εκδηλώσεις ταξιδεύουν γύρω με ένα ηλεκτρόνιο ή μιόνιο σαν ένα περιβάλλον, και όλες συμβάλλουν στις μαγνητικές του ιδιότητες. «Το σωματίδιο που νομίζατε ότι ήταν ένα γυμνό μιόνιο είναι στην πραγματικότητα ένα μιόνιο συν ένα νέφος άλλων πραγμάτων που εμφανίζονται αυθόρμητα», είπε ο Chris Polly, άλλος ηγέτης του πειράματος Fermilab Muon g-2. "Αλλάζουν τη μαγνητική ροπή."
Όσο πιο σπάνια είναι μια κβαντική διακύμανση, τόσο λιγότερο συμβάλλει στον παράγοντα g του ηλεκτρονίου ή του μιονίου. «Καθώς προχωράτε περισσότερο στα δεκαδικά ψηφία, μπορείτε να δείτε πού ξαφνικά αρχίζουν να εμφανίζονται τα κουάρκ για πρώτη φορά», είπε η Polly. Πιο πέρα υπάρχουν σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια W και Z, και ούτω καθεξής. Επειδή τα μιόνια είναι 207 φορές βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια, είναι περίπου 207 (ή 43.000) φορές πιο πιθανό να δημιουργήσουν βαριά σωματίδια στο περιβάλλον τους. Αυτά τα σωματίδια επομένως μεταβάλλουν τον παράγοντα g του μιονίου πολύ περισσότερο από εκείνον ενός ηλεκτρονίου. «Επομένως, αν ψάχνετε για σωματίδια που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη χαμένη μάζα του σύμπαντος - τη σκοτεινή ύλη - ή ψάχνετε για σωματίδια μιας θεωρίας που ονομάζεται υπερσυμμετρία», είπε η Πόλι, «εκεί το μιόνιο έχει έναν μοναδικό ρόλο».
Για δεκαετίες, οι θεωρητικοί προσπάθησαν να υπολογίσουν τις συνεισφορές στον παράγοντα g του μιονίου που προέρχονται από ολοένα και πιο απίθανες επαναλήψεις γνωστών σωματιδίων από το Καθιερωμένο Μοντέλο, ενώ οι πειραματιστές μέτρησαν τον παράγοντα g με ολοένα αυξανόμενη ακρίβεια. Εάν η μέτρηση ξεπερνούσε την προσδοκία, αυτό θα πρόδιδε την παρουσία αγνώστων στο περιβάλλον του μιονίου:φευγαλέες εμφανίσεις σωματιδίων πέρα από το Καθιερωμένο μοντέλο.
Οι μετρήσεις μαγνητικής ροπής μιονίων ξεκίνησαν στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια τη δεκαετία του 1950 και ελήφθησαν μια δεκαετία αργότερα στο CERN, το εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής της Ευρώπης. Εκεί, οι ερευνητές πρωτοστάτησαν στην τεχνική μέτρησης που χρησιμοποιείται ακόμα σήμερα στο Fermilab.
Τα μιόνια υψηλής ταχύτητας πυροβολούνται σε έναν μαγνητισμένο δακτύλιο. Καθώς ένα μιόνιο χτυπά γύρω από τον δακτύλιο, περνώντας μέσα από το ισχυρό μαγνητικό του πεδίο, ο άξονας σπιν του σωματιδίου (που μπορεί να απεικονιστεί ως ένα μικρό βέλος) περιστρέφεται σταδιακά. Εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου αργότερα, συνήθως μετά από ταχύτητα γύρω από τον δακτύλιο μερικές εκατοντάδες φορές, το μιόνιο διασπάται, παράγοντας ένα ηλεκτρόνιο που πετάει σε έναν από τους γύρω ανιχνευτές. Οι μεταβαλλόμενες ενέργειες των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από τον δακτύλιο σε διαφορετικούς χρόνους αποκαλύπτουν πόσο γρήγορα περιστρέφονται τα σπιν του μιονίου.
Στη δεκαετία του 1990, μια ομάδα στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Λονγκ Άιλαντ κατασκεύασε έναν δακτύλιο πλάτους 50 ποδιών για να πετάξει μιόνια γύρω και άρχισε να συλλέγει δεδομένα. Το 2001, οι ερευνητές ανακοίνωσαν τα πρώτα τους αποτελέσματα, αναφέροντας 2,0023318404 για τον παράγοντα g του μιονίου, με κάποια αβεβαιότητα στα τελευταία δύο ψηφία. Εν τω μεταξύ, η πιο ολοκληρωμένη πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου εκείνη την εποχή έδωσε τη σημαντικά χαμηλότερη τιμή 2,0023318319.
Έγινε αμέσως η πιο διάσημη απόκλιση όγδοων δεκαδικών θέσεων στον κόσμο.
"Εκατοντάδες εφημερίδες το κάλυψαν", είπε η Polly, η οποία ήταν μεταπτυχιακή φοιτήτρια με το πείραμα εκείνη την εποχή.
Η μέτρηση του Brookhaven υπερέβη την πρόβλεψη κατά σχεδόν τρεις φορές το υποτιθέμενο περιθώριο σφάλματος, γνωστό ως απόκλιση τριών σίγμα. Ένα χάσμα τριών σίγμα είναι σημαντικό, και είναι απίθανο να προκληθεί από τυχαίο θόρυβο ή μια άτυχη συσσώρευση μικρών σφαλμάτων. Υπέδειξε έντονα ότι κάτι έλειπε από τον θεωρητικό υπολογισμό, κάτι σαν ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης ή ένα μποζόνιο που μεταφέρει επιπλέον δύναμη.
Αλλά μερικές φορές συμβαίνουν απίθανες αλληλουχίες γεγονότων, επομένως οι φυσικοί απαιτούν μια απόκλιση πέντε σίγμα μεταξύ μιας πρόβλεψης και μιας μέτρησης για να διεκδικήσουν οριστικά μια ανακάλυψη.
Πρόβλημα με αδρόνια
Ένα χρόνο μετά τη μέτρηση του Brookhaven, οι θεωρητικοί εντόπισαν ένα λάθος στην πρόβλεψη. Ένας τύπος που αντιπροσωπεύει μια ομάδα από τις δεκάδες χιλιάδες κβαντικές διακυμάνσεις στις οποίες μπορούν να εμπλακούν τα μιόνια περιείχε ένα πρόσημο μείον. Ο καθορισμός του στον υπολογισμό μείωσε τη διαφορά μεταξύ θεωρίας και πειράματος σε μόλις δύο σίγμα. Δεν είναι κάτι που να σας ενθουσιάζει.
Αλλά καθώς η ομάδα του Brookhaven συγκέντρωσε 10 φορές περισσότερα δεδομένα, η μέτρηση του παράγοντα g του μιονίου παρέμεινε η ίδια ενώ οι ράβδοι σφάλματος γύρω από τη μέτρηση συρρικνώθηκαν. Η ασυμφωνία με τη θεωρία αυξήθηκε ξανά σε τρία σίγμα μέχρι την τελική έκθεση του πειράματος το 2006. Και συνέχισε να αυξάνεται, καθώς οι θεωρητικοί συνέχιζαν να ακονίζουν την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Μοντέλου για τον παράγοντα g χωρίς να βλέπουν την τιμή να μετατοπίζεται προς τα πάνω προς τη μέτρηση. /P>
Η ανωμαλία του Brookhaven φαινόταν ακόμη μεγαλύτερη στην ψυχή των φυσικών καθώς άλλες αναζητήσεις για νέα σωματίδια απέτυχαν. Καθ' όλη τη διάρκεια της δεκαετίας του 2010, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων 20 δισεκατομμυρίων δολαρίων στην Ευρώπη χτύπησε τα πρωτόνια μαζί με την ελπίδα να δημιουργήσει δεκάδες νέα σωματίδια που θα μπορούσαν να ολοκληρώσουν το σχέδιο των δομικών στοιχείων της φύσης. Αλλά ο επιταχυντής βρήκε μόνο το μποζόνιο Higgs - το τελευταίο κομμάτι του Καθιερωμένου Μοντέλου που έλειπε. Εν τω μεταξύ, μια σειρά από πειραματικές αναζητήσεις για τη σκοτεινή ύλη δεν βρήκαν τίποτα. Οι ελπίδες για νέα φυσική αυξάνονταν όλο και περισσότερο σε ταλαντευόμενα μιόνια. «Δεν ξέρω αν είναι η τελευταία μεγάλη ελπίδα για τη νέα φυσική, αλλά σίγουρα είναι σημαντική», μου είπε ο Μάθιου Μπάκλεϊ, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Ράτγκερς.
Όλοι γνώριζαν ότι για να ξεπεράσουν το κατώφλι της ανακάλυψης, θα έπρεπε να μετρήσουν ξανά τη γυρομαγνητική αναλογία του μιονίου και με μεγαλύτερη ακρίβεια. Έτσι ξεκίνησαν τα σχέδια για ένα επόμενο πείραμα. Το 2013, ο γιγαντιαίος μαγνήτης που χρησιμοποιήθηκε στο Brookhaven φορτώθηκε σε μια φορτηγίδα στα ανοιχτά του Λονγκ Άιλαντ και μεταφέρθηκε στην ακτή του Ατλαντικού και στους ποταμούς Μισισιπή και Ιλινόις στο Fermilab, όπου η ισχυρή δέσμη μιονίων του εργαστηρίου θα άφηνε τα δεδομένα να συγκεντρωθούν πολύ πιο γρήγορα από πριν. Αυτή και άλλες βελτιώσεις θα επιτρέψουν στην ομάδα Fermilab να μετρήσει τον παράγοντα g του μιονίου τέσσερις φορές πιο ακριβή από ό,τι είχε ο Brookhaven.
Το 2016, ο El-Khadra και άλλοι άρχισαν να οργανώνουν την Πρωτοβουλία Θεωρίας, επιδιώκοντας να εξαλείψουν τυχόν διαφωνίες και να καταλήξουν σε μια συναινετική πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου του παράγοντα g πριν από την εμφάνιση των δεδομένων Fermilab. «Για τον αντίκτυπο μιας τέτοιας εξαίσιας πειραματικής μέτρησης Για να μεγιστοποιηθεί, η θεωρία πρέπει να συνδυάσει τη δράση της, βασικά», είπε, εξηγώντας το σκεπτικό εκείνη τη στιγμή. Οι θεωρητικοί συνέκριναν και συνδύασαν υπολογισμούς διαφορετικών κβαντικών κομματιών και κομματιών που συμβάλλουν στον παράγοντα g του μιονίου και κατέληξαν σε μια συνολική πρόβλεψη το περασμένο καλοκαίρι 2,0023318362. Αυτό έπεσε κατά 3,7 σίγμα κάτω από την τελική μέτρηση 2,0023318416 του Brookhaven.
Αλλά η έκθεση της Theory Initiative δεν ήταν η τελευταία λέξη.
Η αβεβαιότητα σχετικά με το τι προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο για τη μαγνητική ροπή του μιονίου προέρχεται εξ ολοκλήρου από την παρουσία στο περιβάλλον του «αδρονίων»:σωματίδια κατασκευασμένα από κουάρκ. Τα κουάρκ αισθάνονται την ισχυρή δύναμη (μία από τις τρεις δυνάμεις του Καθιερωμένου Μοντέλου), η οποία είναι τόσο ισχυρή που είναι σαν τα κουάρκ να κολυμπούν στην κόλλα και αυτή η κόλλα είναι ατελείωτα πυκνή με άλλα σωματίδια. Η εξίσωση που περιγράφει την ισχυρή δύναμη (και επομένως, τελικά, τη συμπεριφορά των αδρονίων) δεν μπορεί να λυθεί ακριβώς.
Αυτό καθιστά δύσκολο να μετρηθεί πόσο συχνά εμφανίζονται αδρόνια στη μέση του μιονίου. Το κυρίαρχο σενάριο είναι το εξής:Το μιόνιο, καθώς ταξιδεύει, εκπέμπει στιγμιαία ένα φωτόνιο, το οποίο μεταμορφώνεται σε αδρόνιο και αντιάδρονιο. το ζεύγος αδρονίου-αντιαδονίου εκμηδενίζεται γρήγορα σε ένα φωτόνιο, το οποίο στη συνέχεια το μιόνιο επαναρροφεί. Αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται πόλωση αδρονικού κενού, συμβάλλει σε μια μικρή διόρθωση στη γυρομαγνητική αναλογία του μιονίου ξεκινώντας από το έβδομο δεκαδικό ψηφίο. Ο υπολογισμός αυτής της διόρθωσης περιλαμβάνει την επίλυση ενός πολύπλοκου μαθηματικού αθροίσματος για κάθε ζεύγος αδρονίου-αντιαδονίου που μπορεί να προκύψει.
Η αβεβαιότητα σχετικά με αυτόν τον όρο πόλωσης αδρονικού κενού είναι η κύρια πηγή συνολικής αβεβαιότητας σχετικά με τον παράγοντα g. Μια μικρή αύξηση σε αυτόν τον όρο μπορεί να διαγράψει εντελώς τη διαφορά μεταξύ θεωρίας και πειράματος. Οι φυσικοί έχουν δύο τρόπους να το υπολογίσουν.
Με την πρώτη μέθοδο, οι ερευνητές δεν προσπαθούν καν να υπολογίσουν τη συμπεριφορά των αδρονίων. Αντίθετα, απλώς μεταφράζουν δεδομένα από άλλα πειράματα σύγκρουσης σωματιδίων σε μια προσδοκία για τον όρο πόλωσης αδρονικού κενού. «Η προσέγγιση που βασίζεται στα δεδομένα έχει τελειοποιηθεί και βελτιστοποιηθεί εδώ και δεκαετίες, και αρκετές ανταγωνιστικές ομάδες που χρησιμοποιούν διαφορετικές λεπτομέρειες στις προσεγγίσεις τους έχουν επιβεβαιώσει η μία την άλλη», δήλωσε ο Stöckinger. Η Theory Initiative χρησιμοποίησε αυτήν την προσέγγιση βάσει δεδομένων.
Όμως τα τελευταία χρόνια, μια καθαρά υπολογιστική μέθοδος βελτιώνεται σταθερά. Σε αυτή την προσέγγιση, οι ερευνητές χρησιμοποιούν υπερυπολογιστές για να λύσουν τις εξισώσεις της ισχυρής δύναμης σε διακριτά σημεία σε ένα πλέγμα αντί παντού στο διάστημα, μετατρέποντας το απεριόριστα λεπτομερές πρόβλημα σε πεπερασμένο. Αυτός ο τρόπος χονδρόκοκκου του τέλματος των κουάρκ για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των αδρονίων «είναι παρόμοιος με μια πρόγνωση καιρού ή μετεωρολογία», εξήγησε ο Fodor. Ο υπολογισμός μπορεί να γίνει εξαιρετικά ακριβής βάζοντας τα σημεία πλέγματος πολύ κοντά μεταξύ τους, αλλά αυτό ωθεί επίσης τους υπολογιστές στα όριά τους.
Η ομάδα 14 ατόμων της BMW - που πήρε το όνομά της από τη Βουδαπέστη, τη Μασσαλία και το Βούπερταλ, τις τρεις ευρωπαϊκές πόλεις όπου είχαν αρχικά έδρα τα περισσότερα μέλη της ομάδας - χρησιμοποίησε αυτήν την προσέγγιση. Έκαναν τέσσερις κύριες καινοτομίες. Πρώτα μείωσαν τον τυχαίο θόρυβο. Επινόησαν επίσης έναν τρόπο για τον ακριβή προσδιορισμό της κλίμακας στο πλέγμα τους. Ταυτόχρονα, υπερδιπλασίασαν το μέγεθος του πλέγματος τους σε σύγκριση με προηγούμενες προσπάθειες, έτσι ώστε να μπορούν να μελετήσουν τη συμπεριφορά των αδρονίων κοντά στο κέντρο του πλέγματος χωρίς να ανησυχούν για τα φαινόμενα των ακμών. Τέλος, συμπεριέλαβαν στον υπολογισμό μια οικογένεια πολύπλοκων λεπτομερειών που συχνά παραμελούνται, όπως οι διαφορές μάζας μεταξύ των τύπων κουάρκ. «Και οι τέσσερις [αλλαγές] χρειάζονταν μεγάλη υπολογιστική ισχύ», είπε ο Fodor.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές διέταξαν υπερυπολογιστές στο Jülich, το Μόναχο, τη Στουτγάρδη, το Orsay, τη Ρώμη, το Βούπερταλ και τη Βουδαπέστη και τους έβαλαν να δουλέψουν σε έναν νέο και καλύτερο υπολογισμό. Μετά από αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια ώρες τσακίσματος, οι υπερυπολογιστές έφτιαξαν μια τιμή για τον όρο πόλωσης αδρονικού κενού. Το σύνολο τους, όταν συνδυάστηκε με όλες τις άλλες κβαντικές συνεισφορές στον παράγοντα g του μιονίου, απέδωσε 2,00233183908. Αυτό είναι "σε αρκετά καλή συμφωνία" με το πείραμα Brookhaven, είπε ο Fodor. «Το διασταυρώσαμε ένα εκατομμύριο φορές γιατί ήμασταν πολύ έκπληκτοι». Τον Φεβρουάριο του 2020, δημοσίευσαν τη δουλειά τους στον διακομιστή προεκτύπωσης arxiv.org.
Η Theory Initiative αποφάσισε να μην συμπεριλάβει την αξία της BMW στην επίσημη εκτίμηση της για ορισμένους λόγους. Η προσέγγιση βάσει δεδομένων έχει μια ελαφρώς μικρότερη γραμμή σφάλματος και τρεις διαφορετικές ερευνητικές ομάδες υπολόγισαν ανεξάρτητα το ίδιο πράγμα. Αντίθετα, ο υπολογισμός του πλέγματος της BMW δεν είχε δημοσιευτεί από το περασμένο καλοκαίρι. Και παρόλο που το αποτέλεσμα συμφωνεί καλά με παλαιότερους, λιγότερο ακριβείς υπολογισμούς δικτυωτού πλέγματος που ήταν επίσης υψηλοί, δεν έχει αναπαραχθεί ανεξάρτητα από άλλη ομάδα με την ίδια ακρίβεια.
Η απόφαση της Theory Initiative σήμαινε ότι η επίσημη θεωρητική τιμή της μαγνητικής ροπής του μιονίου είχε διαφορά 3,7 σίγμα με την πειραματική μέτρηση του Brookhaven. Έθεσε τις βάσεις για αυτό που έχει γίνει η πιο αναμενόμενη αποκάλυψη στη σωματιδιακή φυσική από το μποζόνιο Higgs το 2012.
Οι Αποκαλύψεις
Πριν από ένα μήνα, η ομάδα Fermilab Muon g-2 ανακοίνωσε ότι θα παρουσιάσει τα πρώτα της αποτελέσματα σήμερα. Οι φυσικοί των σωματιδίων ήταν εκστατικοί. Η Laura Baudis, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, είπε ότι «μετρούσε τις μέρες μέχρι τις 7 Απριλίου», αφού περίμενε το αποτέλεσμα για 20 χρόνια. "Εάν τα αποτελέσματα του Brookhaven επιβεβαιωθούν από το νέο πείραμα στο Fermilab", είπε, "αυτό θα ήταν ένα τεράστιο επίτευγμα."
Και αν όχι - αν η ανωμαλία εξαφανιζόταν - ορισμένοι στην κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής δεν φοβούνταν τίποτα λιγότερο από το "το τέλος της σωματιδιακής φυσικής", είπε ο Στέκινγκερ. Το πείραμα Fermilab g-2 είναι «η τελευταία μας ελπίδα για ένα πείραμα που αποδεικνύει πραγματικά την ύπαρξη της φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο», είπε. Αν δεν το έκανε, πολλοί ερευνητές μπορεί να αισθάνονται ότι «τώρα τα παρατάμε και πρέπει να κάνουμε κάτι άλλο αντί να ερευνούμε τη φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο». Πρόσθεσε, "Ειλικρινά μιλώντας, μπορεί να είναι η δική μου αντίδραση."
Η ομάδα Fermilab 200 ατόμων αποκάλυψε το αποτέλεσμα μόνο πριν από έξι εβδομάδες σε μια τελετή αποκάλυψης μέσω του Zoom. Η Tammy Walton, επιστήμονας της ομάδας, έσπευσε στο σπίτι για να παρακολουθήσει την εκπομπή αφού δούλεψε τη νυχτερινή βάρδια στο πείραμα, το οποίο αυτή τη στιγμή βρίσκεται στην τέταρτη σειρά του. (Η νέα ανάλυση καλύπτει δεδομένα από την πρώτη εκτέλεση, τα οποία αποτελούν το 6% αυτού που τελικά θα συγκεντρώσει το πείραμα.) Όταν ο πολύ σημαντικός αριθμός εμφανίστηκε στην οθόνη, που σχεδιάστηκε μαζί με την πρόβλεψη της Theory Initiative και τη μέτρηση Brookhaven, ο Walton ήταν ενθουσιασμένος που το είδα να προσγειώνεται ψηλότερα από το πρώτο και λίγο πολύ να χτυπάει πάνω από το δεύτερο. "Οι άνθρωποι θα είναι τρελά ενθουσιασμένοι", είπε.
Έργα που προτείνουν διάφορες ιδέες για νέα φυσική αναμένεται να πλημμυρίσουν το arxiv τις επόμενες ημέρες. Ωστόσο, πέρα από αυτό, το μέλλον είναι ασαφές. Αυτό που κάποτε ήταν μια διαφωτιστική ρήξη μεταξύ θεωρίας και πειράματος έχει θολώσει από μια πολύ πιο ομιχλώδη σύγκρουση υπολογισμών.
Είναι πιθανό ο υπολογισμός του υπερυπολογιστή να αποδειχθεί λάθος - ότι η BMW παρέβλεψε κάποια πηγή λάθους. «Πρέπει να δούμε προσεκτικά τον υπολογισμό», είπε ο El-Khadra, τονίζοντας ότι είναι πολύ νωρίς για να βγάλουμε ασφαλή συμπεράσματα. "Πιέζει τις μεθόδους για να επιτύχουμε αυτή την ακρίβεια και πρέπει να καταλάβουμε εάν ο τρόπος που πίεσαν τις μεθόδους τις έσπασε."
Αυτά θα ήταν καλά νέα για τους λάτρεις της νέας φυσικής.
Είναι ενδιαφέρον, ωστόσο, ότι ακόμη και αν η μέθοδος που βασίζεται στα δεδομένα είναι η προσέγγιση με ένα απροσδιόριστο πρόβλημα κάτω από την κουκούλα, οι θεωρητικοί δυσκολεύονται να καταλάβουν ποιο θα μπορούσε να είναι το πρόβλημα εκτός από την ανεξήγητη νέα φυσική. "Η ανάγκη για νέα φυσική θα μετατοπιστεί μόνο αλλού", δήλωσε ο Martin Hoferichter από το Πανεπιστήμιο της Βέρνης, ηγετικό μέλος της Theory Initiative.
Ερευνητές που έχουν εξερευνήσει πιθανά προβλήματα με τη μέθοδο που βασίζεται στα δεδομένα τον περασμένο χρόνο λένε ότι τα ίδια τα δεδομένα είναι απίθανο να είναι λάθος. Προέρχεται από δεκαετίες υπερακριβών μετρήσεων 35 αδρονικών διεργασιών. Αλλά "μπορεί να είναι ότι τα δεδομένα ή ο τρόπος ερμηνείας τους είναι παραπλανητικά", δήλωσε ο Andreas Crivellin του CERN και άλλων ιδρυμάτων, ένας συν-συγγραφέας (μαζί με τον Hoferichter) μιας εργασίας που μελετά αυτήν την πιθανότητα.
Είναι πιθανό, εξήγησε, ότι η καταστροφική παρεμβολή συμβαίνει να μειώνει την πιθανότητα εμφάνισης αδρονικών διεργασιών σε ορισμένες συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, χωρίς να επηρεάζεται η πόλωση του αδρονικού κενού κοντά στα μιόνια. τότε η παρέκταση βάσει δεδομένων από το ένα στο άλλο δεν λειτουργεί αρκετά. Σε αυτήν την περίπτωση, όμως, ένας άλλος υπολογισμός του τυπικού μοντέλου που είναι ευαίσθητος στις ίδιες αδρονικές διεργασίες απορρίπτεται, δημιουργώντας μια διαφορετική ένταση μεταξύ της θεωρίας και των δεδομένων. Και αυτή η ένταση θα υποδηλώνει από μόνη της νέα φυσική.
Είναι δύσκολο να επιλυθεί αυτή η άλλη ένταση, διατηρώντας παράλληλα τη νέα φυσική «αρκετά άπιαστη ώστε να μην έχει παρατηρηθεί αλλού», όπως το έθεσε ο El-Khadra, αλλά είναι δυνατό - για παράδειγμα, εισάγοντας τα αποτελέσματα των υποθετικών σωματιδίων που ονομάζονται διανυσματικά λεπτόνια.
Έτσι, το μυστήριο που στροβιλίζεται γύρω από τα μιόνια μπορεί να οδηγήσει πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο σε μια πιο ολοκληρωμένη περιγραφή του σύμπαντος τελικά. Όπως και να έχουν τα πράγματα, μπορούμε να πούμε με ασφάλεια ότι τα σημερινά νέα — τόσο το αποτέλεσμα της Fermilab όσο και η δημοσίευση του υπολογισμού της BMW στο Nature — δεν είναι το τέλος για τη σωματιδιακή φυσική.
