Dziwne zachowanie mionu może zwiastować przewrót w fizyce

Zespół ponad 200 naukowców z 35 instytucji w siedmiu krajach zakończył właśnie analizę ruchu ponad 8 miliardów mionów krążących z prędkością bliską prędkości światła w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) - na razie tylko dla pierwszego roku eksperymentu (2018 r.). Potwierdziła się rozbieżność, która zastanawia naukowców od dziesięcioleci.

Miony są nietrwałymi cząstkami elementarnymi o masie około 200 razy większej niż "spokrewniony” z nim elektron (który także jest leptonem). Miony powstają naturalnie w ziemskiej atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego - właśnie dzięki temu odkrył je w roku 1937 Carl David Anderson. Duże ilości tych cząstek można wytwarzać dzięki akceleratorom.

Miony mają swoje ładunki elektryczne, więc reagują na pole magnetyczne. Częstotliwość, z jaką mion obraca się pod wpływem pola magnetycznego, jest określona przez jego interakcje z innymi cząstkami i siłami, reprezentowanymi przez liczbę zwaną współczynnikiem g. Współczynnik g mionu ma wartość 2. Dlatego właśnie eksperyment nazwano Muon g-2.

Dzięki Modelowi Standardowemu fizycy mogą bardzo dokładnie przewidzieć, ile powinna wynosić ta liczba. Powinno to być 2,00233183620, a wartość poprawki momentu magnetycznego to 0,00116591810. Jednak uśrednione wartości, jakie uzyskano podczas najnowszych eksperymentów w Fermilab to 2,00233184122 oraz 0,00116592061. Prawdopodobieństwo, że uzyskane wyniki są fałszywe wynosi 1:40 000. Obecnie prowadzone są analizy danych z dwóch kolejnych sezonów (lata 2019–2020). Jednocześnie trwa czwarty sezon, a piąty jest planowany. Połączenie danych ze wszystkich wspomnianych sezonów pozwoli na określenie współczynnika g z jeszcze większą precyzją.

Już wcześniej - w roku 2006 w Brookhaven National Laboratory w Nowym Jorku - naukowcy natrafili na rozbieżności z Modelem Standardowym, ale nowe dowody, zebrane podczas znacznie dokładniejszych pomiarów, zwiększają prawdopodobieństwo, że chodzi o rzeczywistą sprzeczność.

Zdaniem fizyków anomalię mogą powodować zjawiska mechaniki kwantowej – tak zwane cząstki wirtualne. To pary składające się z cząstki i jej antycząstki, które powstają w wyniku fluktuacji kwantowych, by niemal natychmiast zniknąć. Mimo ekstremalnie krótkiego czasu trwania mogą wpływać na zachowanie prawdziwych cząstek, takich jak miony. Pary te mogą tworzyć cząstki dowolnego typu – na przykład elektron – pozyton czy proton – antyproton, ale wśród nich są zapewne również takie, których nauka jeszcze nie zna. Tymczasem modele stosowane do przewidywania współczynnika g mionu uwzględniają tylko efekty oczekiwane od znanych cząstek wirtualnych.

“To, co mierzymy, odzwierciedla wszystkie interakcje, z jakimi mion miał do czynienia. Jednak gdy teoretycy przeprowadzają swoje obliczenia, biorąc pod uwagę wszystkie znane siły i cząstki Modelu Standardowego, okazuje się, że wynik ich obliczeń jest różny od wyniku naszego eksperymentu. To mocna wskazówka, że na mion działa coś, czego nie przewiduje Model” - mówi Renee Fatemi, fizyk z University of Kentucky, która odpowiada za symulacje w eksperymencie Muon g-2.

„Dzisiaj jest niezwykły dzień, długo oczekiwany nie tylko przez nas, ale i przez całą międzynarodową społeczność fizyków - powiedział Graziano Venanzoni, współrzecznik eksperymentu Muon g-2 i fizyk z włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej. - Duże uznanie dla naszych młodych naukowców, którzy swoim talentem, pomysłami i entuzjazmem pozwolili nam osiągnąć ten niesamowity wynik”.

„Praca nad tym jest fantastycznie interesująca - mówi David Kawall, profesor na wydziale fizyki UMass. - Wszystko ma znaczenie. Każdy najmniejszy szczegół ma znaczenie, a wszystkie przyszłe teorie fizyki będą musiały być zgodne z tym wynikiem”.

„Ustalenie subtelnego zachowania mionów jest niezwykłym osiągnięciem, które wytyczy kierunki poszukiwań poza Modelem Standardowym na wiele lat - powiedział zastępca dyrektora ds. Badań Fermilab Joe Lykken. - To ekscytujący czas dla badań nad fizyką cząstek elementarnych. Fermilab jest liderem”.

Niedawno podczas eksperymentu prowadzonego w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN fizycy zaobserwowali inną osobliwość związaną z rozpadem mionów. Możliwe, że zjawiska te mają ze sobą coś wspólnego. „Do tej pory przeanalizowaliśmy mniej niż 6 proc. danych, które ostatecznie zgromadzi eksperyment. Chociaż te pierwsze wyniki mówią nam, że istnieje intrygująca różnica w stosunku do Modelu Standardowego, w ciągu następnych kilku lat dowiemy się znacznie więcej" - mówi naukowiec Fermilab, Chris Polly.(PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/