Το μυστήριο των σωματιδίων βαθαίνει, καθώς οι φυσικοί επιβεβαιώνουν ότι το μιόνιο είναι περισσότερο μαγνητικό από το προβλεπόμενο
Μια πιθανή ρήξη στην κατανόηση των θεμελιωδών σωματιδίων και δυνάμεων από τους φυσικούς φαίνεται τώρα πιο αληθινή. Νέες μετρήσεις επιβεβαιώνουν ότι ένα φευγαλέο υποατομικό σωματίδιο που ονομάζεται μιόνιο μπορεί να είναι κάπως πιο μαγνητικό από ό,τι προβλέπει η θεωρία, ανέφερε αυτή την εβδομάδα μια ομάδα περισσότερων από 200 φυσικών. Αυτή η μικρή ανωμαλία -μόλις 2,5 μέρη στο 1 δισεκατομμύριο- είναι μια ευπρόσδεκτη απειλή για την κυρίαρχη θεωρία των σωματιδιακών φυσικών, το τυπικό μοντέλο, το οποίο έχει εξηγήσει εδώ και πολύ καιρό σχεδόν όλα όσα έχουν δει σε θρυμματιστές ατόμου και τους άφησε να ψάχνουν κάτι καινούργιο στο παζλ. .
«Από τη δεκαετία του 1970 ψάχναμε για μια ρωγμή στο τυπικό μοντέλο», λέει ο Alexey Petrov, θεωρητικός στο Wayne State University. «Μπορεί να είναι αυτό». Αλλά η Sally Dawson, θεωρητικός στο Brookhaven National Laboratory, σημειώνει ότι το αποτέλεσμα δεν είναι ακόμα οριστικό. "Δεν κάνει τίποτα άλλο για την κατανόησή μας για τη φυσική από το να πούμε ότι πρέπει να περιμένουμε λίγο ακόμα για να δούμε αν είναι αληθινό."
Για δεκαετίες, οι φυσικοί έχουν μετρήσει τον μαγνητισμό του μιονίου, ενός βαρύτερου, ασταθούς ξαδέλφου του ηλεκτρονίου, το οποίο συμπεριφέρεται σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης ράβδων. Βάζουν μιόνια σε ένα κατακόρυφο μαγνητικό πεδίο που τα κάνει να στροβιλίζονται οριζόντια σαν μικρές βελόνες πυξίδας. Η συχνότητα με την οποία στροβιλίζονται τα μιόνια αποκαλύπτει πόσο μαγνητικά είναι, κάτι που καταρχήν μπορεί να υποδεικνύει νέα σωματίδια, ακόμη και πολύ μαζικά για να δημιουργηθούν σε έναν θρυμματιστή ατόμου όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων της Ευρώπης.
Αυτό συμβαίνει επειδή, χάρη στην κβαντική αβεβαιότητα, το μιόνιο βρίσκεται ανάμεσα σε μια ομίχλη άλλων σωματιδίων και αντισωματιδίων που πετάνε μέσα και έξω από την ύπαρξη. Αυτά τα «εικονικά» σωματίδια δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, αλλά μπορούν να επηρεάσουν τις ιδιότητες του μιονίου. Η κβαντομηχανική και η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν προβλέπουν ότι το μιόνιο πρέπει να έχει έναν ορισμένο βασικό μαγνητισμό. Τα γνωστά τυπικά σωματίδια του μοντέλου που κινούνται γύρω από το μιόνιο αυξάνουν αυτόν τον μαγνητισμό κατά περίπου 0,1%. Και άγνωστα σωματίδια που κρύβονται στο κενό θα μπορούσαν να προσθέσουν μια άλλη, απρόβλεπτη αύξηση της αλλαγής.
Το 2001, ερευνητές με το πείραμα Muon g-2, τότε στο Brookhaven, ανέφεραν ότι το μιόνιο ήταν ένα άγγιγμα πιο μαγνητικό από ό,τι προβλέπει το τυπικό μοντέλο. Η απόκλιση ήταν μόνο περίπου 2,5 φορές η συνδυασμένη θεωρητική και πειραματική αβεβαιότητα. Αυτό δεν είναι πουθενά κοντά στο πρότυπο των φυσικών για τον ισχυρισμό μιας ανακάλυψης:πέντε φορές τη συνολική αβεβαιότητα. Αλλά ήταν ένας δελεαστικός υπαινιγμός νέων σωματιδίων ακριβώς πέρα από την αντίληψή τους.
Επίμονη ανωμαλία
Έτσι, το 2013, οι ερευνητές μετέφεραν το πείραμα στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi (Fermilab) στο Ιλινόις, όπου μπορούσαν να λάβουν καθαρότερες δέσμες μιονίων. Όταν το ανανεωμένο πείραμα άρχισε να λαμβάνει δεδομένα το 2018, οι προβλέψεις του τυπικού μοντέλου για τον μαγνητισμό του μιονίου είχαν βελτιωθεί και η διαφορά μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων και της θεωρίας είχε αυξηθεί σε 3,7 φορές τη συνολική αβεβαιότητα.
Τώρα, η ομάδα g-2 δημοσίευσε το πρώτο αποτέλεσμα από το ανανεωμένο πείραμα, χρησιμοποιώντας δεδομένα αξίας 1 έτους. Και το νέο αποτέλεσμα συμφωνεί σχεδόν ακριβώς με το παλιό, ανακοίνωσε η ομάδα σήμερα σε συμπόσιο στο Fermilab. Η συμφωνία δείχνει ότι το παλιό αποτέλεσμα δεν ήταν ούτε μια στατιστική ατυχία ούτε το προϊόν κάποιου ελαττώματος που δεν εντοπίστηκε στο πείραμα, λέει ο Chris Polly, φυσικός της Fermilab και συν-εκπρόσωπος της ομάδας g-2. "Επειδή ήμουν μεταπτυχιακός φοιτητής στο πείραμα Brookhaven, ήταν σίγουρα μια συντριπτική αίσθηση ανακούφισης για μένα", λέει.
Μαζί, τα νέα και τα παλιά αποτελέσματα διευρύνουν τη διαφωνία με την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου σε 4,2 φορές τα πειραματικά και τα θεωρητικά λάθη. Αυτό δεν είναι ακόμα αρκετά για να διεκδικήσουμε μια οριστική ανακάλυψη. Αλλά σε ένα πεδίο στο οποίο παρόμοιοι υπαινιγμοί νέας φυσικής έρχονται και παρέρχονται, ο μαγνητισμός του μιονίου έχει παραμείνει ένα σχεδόν μοναδικό παζλ, λέει ο Graham Kribs, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον. "Δεν υπάρχει τίποτα άλλο που να ξεχωρίζει, για το οποίο ολόκληρη η κοινότητα λέει, "Θυμήσου, πρέπει επίσης να το αντιμετωπίσουμε".
Ολόκληρη η ομάδα του g-2 μοιράστηκε μια στιγμή αλήθειας όταν, στις 25 Φεβρουαρίου, οι πειραματιστές αποκάλυψαν για πρώτη φορά το νέο αποτέλεσμα στους εαυτούς τους. Το πείραμα περιλαμβάνει τη μέτρηση του ρυθμού με τον οποίο τα μιόνια περιστρέφονται με εξαιρετική ακρίβεια. Και για να μην κατευθύνουν υποσυνείδητα τη μέτρηση σε μια τιμή που θα προτιμούσαν, οι πειραματιστές βασίστηκαν σε ένα ρολόι που χτυπούσε σε μια μυστική συχνότητα που ήταν γνωστή μόνο σε δύο άτομα, και τα δύο εκτός συνεργασίας. Μόνο στο τέλος της ανάλυσης άνοιξαν τους φακέλους που περιείχαν τη μυστική συχνότητα—σε μια σύσκεψη Zoom λόγω περιορισμών για τον COVID-19. «Σίγουρα υπήρχε αυτή η ατμόσφαιρα ακραίας έντασης», λέει η Hannah Binney, μεταπτυχιακή φοιτήτρια και μέλος της ομάδας από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, στο Σιάτλ. Μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, λέει, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη μυστική συχνότητα για να καταλάβουν ότι το νέο αποτέλεσμα ταιριάζει με το παλιό.
Οι άμεσες απαντήσεις στο νέο αποτέλεσμα πιθανότατα θα είναι διπλές, λέει ο Petrov. Πρώτον, με την επιβεβαιωμένη πειραματική τιμή, οι φυσικοί πιθανότατα θα αμφισβητήσουν εκ νέου τη θεωρητική εκτίμηση. Ξεκινώντας το 2017, περισσότεροι από 130 θεωρητικοί συναντήθηκαν σε μια σειρά εργαστηρίων για να καταλήξουν σε μια συναινετική αξία για την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου, την οποία δημοσίευσαν τον Νοέμβριο του 2020. Ωστόσο, ο Petrov λέει ότι ο υπολογισμός είναι ένας περίπλοκος «χαζός» που χρησιμοποιεί μια ποικιλία μεθόδων —συμπεριλαμβανομένης της παρέκτασης από τα αποτελέσματα των επιταχυντών—για να ληφθούν υπόψη διαφορετικοί τύποι σωματιδίων τυπικού μοντέλου που πετάνε μέσα και έξω από το κενό. Οι θεωρητικοί θα διπλασιάσουν τώρα τις προσπάθειές τους για να επικυρώσουν τη συναινετική αξία και να αναπτύξουν υπολογιστικές μεθόδους που θα τους επιτρέψουν να την υπολογίσουν από τις πρώτες αρχές, λέει ο Petrov.
Και, φυσικά, άλλοι θα αρχίσουν να επινοούν νέες θεωρίες που θα ξεπερνούσαν το τυπικό μοντέλο και θα εξηγούσαν τον επιπλέον μαγνητισμό του μιονίου. "Αυτή θα είναι μια ημέρα πεδίου για τους θεωρητικούς", προβλέπει ο Petrov. Οι σκέψεις τους μπορεί να είναι λίγο πρόωρες, καθώς οι πειραματιστές του g-2 εξακολουθούν να λαμβάνουν δεδομένα και ελπίζουν να μειώσουν την πειραματική αβεβαιότητα κατά 75% μέσα σε λίγα χρόνια. Έτσι, η ασυμφωνία θα μπορούσε ακόμα να εξασθενίσει. Όμως, με την πιθανότητα ότι το μιόνιο σηματοδοτεί πραγματικά την παρουσία κάτι νέου, πολλοί θεωρητικοί θα είναι πρόθυμοι να ξεκινήσουν.
