Επιλεγμένα

Ισχυρή ένδειξη ύπαρξης μιας Νέας Φυσικής δείχνουν τα πρώτα αποτελέσματα του πειράματος Muon g-2 στο Fermilab

Από στις 25 Απριλίου 2021

«Σήμερα είναι μια ξεχωριστή ημέρα, αναμενόμενη από καιρό όχι μόνο από εμάς αλλά και από όλη την κοινότητα των φυσικών». Έτσι άρχισε τη δήλωσή του ο Graziano Venanzoni, εκπρόσωπος του πειράματος Muon g-2, που διενεργείται στο Fermilab, και φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας, την 7η Απριλίου του 2021, παρουσιάζοντας τα αποτελέσματα του πειράματος στην κοινότητα. Τι όμως είναι το πείραμα αυτό; ποια είναι τα αποτελέσματα στα οποία οδηγήθηκαν οι ερευνητές; και τι είναι αυτό που καθιστά τα αποτελέσματα αυτά συναρπαστικά, ώστε η μέρα να θεωρείται ξεχωριστή;

Ας πάρουμε τα πράγματα με τη σειρά: Πρώτα, για το πείραμα Muon g-2. Είναι φανερό ότι έχει να κάνει με τα μυόνια, αυτά τα σωμάτια που είναι 200 φορές μεγαλύτερης μάζας από τα ξαδέρφια τους, τα ηλεκτρόνια. Φυσικώς, τα σωμάτια αυτά δημιουργούνται όταν οι κοσμικές ακτίνες επιδρούν στην ατμόσφαιρα της Γης, ενώ οι επιταχυντές σωματιδίων του Fermilab μπορούν να παράγουν μεγάλους αριθμούς από αυτά. Όπως και τα ηλεκτρόνια, τα μυόνια δρουν σαν να περιέχουν ένα πάρα πολύ μικρό εσωτερικό μαγνήτη. Σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, η κατεύθυνση μεταπίπτει, ή ταλαντώνεται, όπως ο άξονας μιας σβούρας ή ενός γυροσκοπίου. Το πόσο ισχυρός είναι ο εσωτερικός μαγνήτης προσδιορίζει το ρυθμό με τον οποίο το μυόνιο μεταπίπτει σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και μετριέται από έναν αριθμό τον οποίο οι φυσικοί αποκαλούν παράγοντα-g. Αυτός ο αριθμός μπορεί να υπολογιστεί με πάρα πολύ μεγάλη ακρίβεια.

Το πείραμα Muon g-2 (διαβάζεται gee μείον 2) στοχεύει να κατανοήσει καλύτερα τις ιδιότητες του μυονίου και να τις χρησιμοποιήσει για να ερευνήσουν το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) της σωματιδιακής φυσικής. Για την διενέργεια του πειράματος χρησιμοποιούνται οι ισχυρότατοι επιταχυντές του Fermilab (U.S. Department of Energy’s Fermi National Accelerator Laboratory) για να διερευνηθούν οι αλληλεπιδράσεις των βραχύβιων σωματίων που είναι γνωστά ως μυόνια, με ισχυρό μαγνητικό πεδίο σε «άδειο» χώρο. Βέβαια, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι ακόμη και στο κενό, ο χώρος δεν είναι ποτέ άδειος. Αντίθετα, είναι πλήρης με μια αθέατη θάλασσα οιονεί σωματίων που σύμφωνα με την κβαντική φυσική αναδύονται και εξαφανίζονται ως υπάρξεις σε απίστευτα σύντομα χρονικά διαστήματα.

Οι επιστήμονες μπορούν να ελέγξουν την παρουσία και τη φύση αυτών των οιονεί σωματίων με δέσμες σωματίων που ταξιδεύουν μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Οι ερευνητές του Muon g-2, μια διεθνής συνεργασία μεταξύ του Fermilab και περισσοτέρων από 200 επιστήμονες από 35 ιδρύματα σε επτά χώρες, εξετάζουν την μετάπτωση των μυονίων που υπόκεινται στην επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Ο κύριος σκοπός του πειράματος είναι να ελεγχθούν οι προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου για την τιμή της μετάπτωσης, δηλαδή την τιμή του παράγοντα-g, μετρώντας το πειραματικό ρυθμό μετάπτωσης με ακρίβεια 0,14 μέρη στο εκατομμύριο. Αν υπάρχει ασυνέπεια, θα μπορούσε να δείξει ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι ατελές και χρίζει αναθεώρησης. Φυσικά, αναθεώρηση σημαίνει Νέα Φυσική!

Στο πείραμα, τα μυόνια περιφέρονται στον μαγνήτη του Muon g-2, στις εγκαταστάσεις του Fermilab, και καθώς περιφέρονται αλληλεπιδρούν με τον κβαντικό αφρό των υποατομικών σωματίων που αναδύονται από και καταδύονται ως υπάρξεις στον αφρό. Οι αλληλεπιδράσεις με αυτά τα βραχύβια σωμάτια επηρεάζουν την τιμή του παράγοντα-g, προκαλώντας πολύ ελαφρά επιτάχυνση ή επιβράδυνση της μετάπτωσης των μυονίων. Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει αυτή την αποκαλούμενη ανώμαλη μαγνητική ροπή με εξαιρετική ακρίβεια. Όμως, εάν ο κβαντικός αφρός περιέχει επιπλέον δυνάμεις ή σωμάτια που δεν εξηγούνται από το Καθιερωμένο Πρότυπο, αυτό θα αλλάξει κατά τι περαιτέρω τον παράγοντα-g του μυονίου.

Ποια είναι τα αποτελέσματα του πειράματος; Φαίνεται πως είναι συναρπαστικά και προκαλούν ενθουσιασμό στην ερευνητική ομάδα, αν και «μέχρι τώρα έχουν αναλυθεί λιγότερο από το 6% των δεδομένων που έχουν συλλεχθεί από το πείραμα», σύμφωνα με τον άλλο εκπρόσωπο του πειράματος Chris Polly. Οι μετρήσεις του πειράματος Muon g-2, έδειξαν ότι υπάρχει ισχυρή απόκλιση από την τιμή που προβλέπεται από το ισχύον Καθιερωμένο Πρότυπο. Αυτό είναι σημαντικό για να υποστηριχθεί ότι η συμπεριφορά των μυονίων δεν είναι σύμφωνη με αυτή που προβλέπεται και αυτή δεν είναι η πρώτη φορά που βρίσκεται μια τέτοια ασυμφωνία. Η νέα μέτρηση από το πείραμα Muon g-2, στο Fermilab, συμφωνεί πολύ με την τιμή που βρέθηκε πριν από δυο δεκαετίες περίπου μια παρόμοια μέτρηση στο Brookhaven. Μάλιστα, τα συνδυασμένα αποτελέσματα από το Fermilab και το Brookhaven δείχνουν μια διαφορά με τη θεωρία σε σημαντικότητα 4,2 σ, λίγο δηλαδή πιο κάτω από τη σημαντικότητα 5 σ (ή τυπικές αποκλίσεις) την οποία οι επιστήμονες θεωρούν ότι πρέπει να ισχύει για να δηλώσουν μια ανακάλυψη με αδιάσειστα στοιχεία για μια νέα φυσική, πέρα από αυτή του Καθιερωμένου Προτύπου.

Για την ιστορία, η αποδεκτές θεωρητικές τιμές για το μυόνιο είναι: παράγοντας-g: 2,00233183620(86) και ανώμαλη μαγνητική ροπή: 0,00116591810(43) [στις παρενθέσεις η αβεβαιότητα των μετρήσεων], ενώ η νέες μέσες πειραματικές τιμές που ανακοινώθηκαν ως συναρπαστικές από το πείραμα Muon g-2 είναι: παράγοντας-g: 2,00233184122(82) και ανώμαλη μαγνητική ροπή: 0,00116592061(41). Η πιθανότητα τα αποτελέσματα είναι μια στατιστική διακύμανση αναφέρεται ότι είναι περίπου 1 στις 40.000.

Αφού μάθαμε για το πείραμα Muon g-2, γνωρίσαμε ποια είναι τα αποτελέσματα στα οποία οδηγήθηκαν οι ερευνητές, νομίζω πως γίνεται αντιληπτό τι είναι αυτό που καθιστά τα αποτελέσματα αυτά συναρπαστικά, έτσι ώστε η μέρα η μέρα της ανακοίνωσης να θεωρείται ξεχωριστή: Δεν είναι μικρό πράγμα να βρίσκεσαι κάτι λίγο πριν την απόδειξη ότι υπάρχει μια Νέα Φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο!

Δείτε το ενδιαφέρον video:

Πηγή: Fermilab

Κωνσταντίνος Ζώκος

Κωνσταντίνος Ζώκος

Φυσικός, Δάσκαλος Φυσικής