Δελεαστικό παράξενο που βρίσκεται στο εξωτικό άτομο - αλλά οι φυσικοί δεν το διαφημίζουν

Μια ιδιότητα του ποζιτρονίου - ενός εξωτικού ατόμου που αποτελείται από ένα ηλεκτρόνιο συνδεδεμένο με τον αντιύλη του, ένα ποζιτρόνιο - διαφέρει σημαντικά από τις θεωρητικές προβλέψεις, αναφέρει μια ομάδα φυσικών. Αυτή η διαφορά θα μπορούσε να είναι ένα σημάδι νέων σωματιδίων ή φαινομένων πέρα ​​από το τυπικό μοντέλο των θεμελιωδών δυνάμεων και σωματιδίων των φυσικών - το είδος του αποτελέσματος που συνήθως συνοδεύεται από ένα πυρετώδη δελτίο τύπου. Ωστόσο, όχι μόνο οι ερευνητές δεν εξέδωσαν δελτίο τύπου, αλλά το έγγραφό τους δεν κάνει καμία αναφορά στη νέα φυσική.

«Είναι πολύ συναρπαστικό», λέει ο Gregory Adkins, θεωρητικός στο Franklin &Marshall College που εργάζεται στο positronium. "Η εύρεση μιας ασυμφωνίας σημαίνει ότι αυτό είναι ένα ενδιαφέρον σύστημα που πρέπει να ακολουθηθεί."

Αλλά η φυσική είναι γεμάτη από δελεαστικούς ισχυρισμούς που έβγαζαν, μερικές φορές θεαματικά:μια ασυμφωνία στο μέγεθος του πρωτονίου. σημάδια μιας κοσμικής ανάπτυξης που ονομάζεται πληθωρισμός. και στοιχεία ότι τα σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα ταξιδεύουν ταχύτερα από το φως, ένα πειραματικό τεχνούργημα που τελικά εντοπίστηκε σε ένα χαλαρό ηλεκτρικό καλώδιο. Έτσι, ο David Cassidy, ένας φυσικός στο University College του Λονδίνου που ηγήθηκε της νέας εργασίας του ποζιτρονίου, ισχυρίζεται μόνο ότι η μέτρηση είναι ήχος. "Είμαι πεπεισμένος ότι δεν είναι κάτι ανόητο, ταχύτερο από το φως νετρίνο όταν έχουμε κάνει κάτι που απλά δεν είναι σωστό."

Επειδή ένα άτομο ποζιτρονίου δεν περιέχει πυρηνική ύλη, οι φυσικοί μπορούν να το μελετήσουν χωρίς να ανησυχούν για την πολυπλοκότητα των αδύναμων και ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων, που μπορούν να αλλάξουν τις ιδιότητες ενός ατόμου με λεπτούς αλλά σημαντικούς τρόπους. Για να προβλέψουν τις ιδιότητες του ποζιτρονίου, οι φυσικοί χρειάζεται να χρησιμοποιήσουν μόνο τη σχετικά απλή κβαντική θεωρία των ηλεκτρικών και μαγνητικών δυνάμεων ή την κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED), ίσως την πιο ακριβή και καλύτερα δοκιμασμένη θεωρία στη φυσική. Αυτό κάνει το ποζιτρόνιο ένα ιδανικό εργαλείο με το οποίο μπορείτε να αναζητήσετε νέα φυσική, λέει ο Cassidy.

Ακριβώς όπως ένα συνηθισμένο άτομο, ένα άτομο ποζιτρονίου μπορεί να απορροφήσει και να εκπέμψει φως και άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μόνο σε συγκεκριμένες συχνότητες καθώς το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο μέσα σε αυτό μεταπηδούν από τη μια διακριτή κβαντική κατάσταση στην άλλη. Οι θεωρητικοί μπορούν να υπολογίσουν αυτά τα μήκη κύματος με ακρίβεια με το QED και τυχόν αποκλίσεις μεταξύ αυτών των προβλέψεων και των πειραματικά μετρούμενων συχνοτήτων θα μπορούσαν στη συνέχεια να σηματοδοτήσουν νέα φυσική.

Το να κάνεις αυτές τις συγκρίσεις είναι πιο εύκολο να το πεις παρά να το κάνεις. Οι θεωρητικοί εργάζονται για χρόνια για βελτιώσεις στους απίστευτα απαιτητικούς υπολογισμούς. Και τα άτομα ποζιτρονίου δεν υπάρχουν στη φύση, επομένως οι πειραματιστές πρέπει να τα φτιάξουν πυροδοτώντας ποζιτρόνια σε έναν στόχο όπου μερικά από αυτά αιχμαλωτίζουν ηλεκτρόνια. Τα άτομα που προκύπτουν δεν κολλάνε για πολύ. Μέσα σε ένα κλάσμα του μικροδευτερόλεπτου, το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο συγκρούονται και εξαφανίζονται μεταξύ τους σε μια λάμψη ακτίνων γάμμα.

Ωστόσο, μέσω επίπονων προσπαθειών, ο Cassidy και οι συνεργάτες του κατάφεραν να συλλάβουν φευγαλέες εισπνοές από περίπου 100.000 άτομα ποζιτρονίου και να τα εκθέσουν σε μικροκύματα που θα οδηγούσαν σε μια μετάβαση μεταξύ ενός συγκεκριμένου ζεύγους κβαντικών καταστάσεων. Συντονίζοντας τη συχνότητα των μικροκυμάτων για να μεγιστοποιήσουν τον ρυθμό, διαπίστωσαν ότι η μετάβαση συνέβη στα 18,50102 gigahertz, κάτι που έρχεται σε σύγκρουση με την πρόβλεψη QED των 18,49825 gigahertz. Οι δύο τιμές διαφέρουν κατά 4,5 φορές από τα συνδυασμένα πειραματικά και θεωρητικά λάθη, πολύ λιγότερο από το πενταπλάσιο πρότυπο για τη δήλωση ανακάλυψης, ανέφερε η ομάδα στις 12 Αυγούστου στο Physical Review Letters .

Χρειάζεται προσοχή για διάφορους λόγους, λένε οι φυσικοί. Άλλες αποκλίσεις μεταξύ των προβλεπόμενων και των παρατηρούμενων ιδιοτήτων του ποζιτρονίου έχουν έρθει και παρέρχονται. Για παράδειγμα, στη δεκαετία του 1990 οι φυσικοί πίστευαν, ουσιαστικά, ότι το ποζιτρόνιο δεν ζούσε όσο είχε προβλεφθεί. Αλλά οι καλύτερες μετρήσεις επέλυσαν αυτή τη διαφορά το 2003. Οι ερευνητές μπορεί επίσης να δυσκολεύονται να εξηγήσουν την ασυμφωνία με νέες θεωρίες, όπως κάποιο νέο κβαντικό σωματίδιο που πετά μεταξύ ηλεκτρονίου και ποζιτρονίου. "Θα μπορούσε να είναι λίγο δύσκολο να τροποποιηθεί η θεωρία ώστε να ταιριάζει με αυτό το πείραμα, αλλά να μην προκαλεί προβλήματα με άλλα πειράματα", λέει ο Adkins.

Ίσως ο μεγαλύτερος λόγος για προσοχή είναι επειδή το νέο αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι κάτι λείπει στο QED. Η θεωρία βασίζεται σε λίγες μόνο βασικές υποθέσεις:ότι υπάρχουν σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, ότι ισχύει η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν και ότι ολόκληρη η θεωρία πρέπει να έχει μια συγκεκριμένη μαθηματική συμμετρία που ονομάζεται αναλλοίωτη μέτρηση που προκαλεί αμέσως οτιδήποτε άλλο - την ύπαρξη ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία και όλες τις ιδιότητές τους. Επομένως, η αμφισβήτηση της ικανότητας του QED να εξηγεί το positronium θα ήταν τολμηρή, πράγματι. «Δεν θέλετε να διαφωνείτε πολύ με το QED δημόσια», λέει ο Cassidy. "Είναι σαν μια μάχη με τον Mike Tyson, δεν πρόκειται να κερδίσεις."

Τελικά, το QED από μόνο του πιθανώς μπορεί να εξηγήσει την ασυμφωνία, προβλέπει ο Cassidy. Τα μικροκύματα μπορεί να οδηγήσουν ένα άτομο ποζιτρονίου όχι μόνο απευθείας από την αρχική κβαντική κατάσταση στην τελική, αλλά και σε αυτό μέσω μιας ενδιάμεσης κβαντικής κατάστασης. Αυτός ο πρόσθετος τρόπος μετάβασης από την αρχική στην τελική κατάσταση θα μπορούσε στη συνέχεια να παρεμβαίνει κβαντομηχανικά στην άμεση οδό, επηρεάζοντας τη μετρούμενη συχνότητα της μετάβασης. Η διαλογή κατά πόσο παίζει ένα τόσο λεπτό, αλλά συμβατικό αποτέλεσμα, θα μπορούσε να διαρκέσει 10 χρόνια, λέει ο Cassidy.

Εν τω μεταξύ, οι φυσικοί βρίσκονται υπό αυξανόμενη πίεση, ακόμη και από φορείς χρηματοδότησης, να αναδείξουν τις πιο προκλητικές ερμηνείες της δουλειάς τους, αντί να αφήσουν τα αποτελέσματα να μιλήσουν από μόνα τους, λέει ο Cassidy. «Έτσι παίρνεις χρήματα αυτές τις μέρες».