Nadchodzi "nowa fizyka"

Miony – szczegółowe pomiary zwiastują nadejście „nowej fizyki”

Miony. Nie, to nie nazwa zespołu indierockowego ani tym bardziej przyprawy z kuchni filipińskiej. Miony to nietrwałe cząstki elementarne o masie ok. 200 razy większej od elektronów. Wyniki eksperymentu Muon g-2 przeprowadzonego przez amerykański Fermilab rzucają nowe światło na nasze rozumienie Wszechświata.

Eksperyment Muon g-2 przeprowadzony przez Narodowe Laboratorium Przyśpieszania Cząstek Elementarnych im. Enrico Fermiego, czyli popularny Fermilab, wykazał, że cząstki elementarne zwane mionami zachowują się nieco inaczej niż przypuszczano. To jedna z największych niespodzianek w fizyce cząstek elementarnych od lat – niektórzy mówią nawet o przełomie w rozumieniu Wszechświata.

Dla wielu z nas to wygląda i pachnie jak nowa fizyka. Może być tak, że pewnego dnia spojrzymy na to wstecz i ten wynik będzie postrzegany jako zwiastun zmian.

Prof. Dan Hooper, fizyk z Fermilab

Dan Hooper i Gordan Krnjaic (obaj z University of Chicago i Fermilab) dokonali znaczących postępów w rozumieniu eksperymentów z udziałem mionów.

Miony i ich znaczenie

Naukowcy mają całkiem jednolitą wizję dotyczącą budowy Wszechświata – dotyczy ona najmniejszych cząstek i opisuje trzy z czterech (z wyjątkiem grawitacji) oddziaływań podstawowych: elektromagnetycznego, słabego i silnego. Mowa o Modelu Standardowym. Teoria ta ma jednak kilka dziur – mowa głównie o obiektach, które zaobserwowaliśmy we Wszechświecie, ale nie zostały przez nią uwzględnione. Za najważniejszy przykład podaje się najczęściej ciemną materię.

Aby sprawdzić, czy w Modelu Standardowym czegoś nie brakuje, zbudowano Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Przeprowadzane w nim eksperymenty potwierdziły istnienie „boskiej cząstki”, czyli poszukiwanego od dawna bozonu Higgsa, ale nie wykazały występowania niczego co mogłoby wskazać kierunek, którym powinniśmy podążać, by wyjaśnić anomalie pokroju ciemnej materii. Nieco inne dane uzyskano dzięki eksperymentowi przeprowadzonemu przez Fermilab.

Wielki Zderzacz Hadronów w CERN

Pierścień Muon g-2 znajduje się w hali detektorów, pośród regałów z elektroniką, linii wiązek mionowych i innego sprzętu. Urządzenie działa w temperaturze -232oC i bada precesję, czyli „chybotanie” cząstek mionów podczas ich przemieszczania się przez pole magnetyczne.

Wyniki uzyskane podczas eksperymentu Muon g-2 wykazały niewielką różnicę między tym, jak miony powinny zachowywać się zgodnie z Modelem Standardowym, a co faktycznie zaobserwowano w akceleratorze. Niemal każde wyjaśnienie nowego zjawiska w fizyce cząstek elementarnych, miałoby głębokie implikacje dla całego Wszechświata. Nawet najmniejsze różnice w masach poszczególnych cząstek wpływają na sposób, w jaki Wszechświat się rozszerzał po Wielkim Wybuchu. Dlatego właśnie naukowcy chcą jak najdokładniej zmierzyć ten swoisty efekt motyla.

Jak to wyjaśnić?

Istnieją trzy możliwe wyjaśnienia eksperymentu Muon g-2. Jedno z nich dotyczy teorii znanej jako supersymetria, która zakłada, że każda cząstka elementarna ma swoją cząstkę partnerską. Teoria ta rozwiązuje kilka rozbieżności, w tym ciemną materię. Inna możliwość jest taka, że jakaś nieodkryta, stosunkowo ciężka forma materii silnie oddziałuje z mionami. Trzeci wariant zakłada, że może istnieć jakiś inny rodzaj egzotycznych lekkich cząstek, jak dotąd nie odkrytych, które słabo oddziałują z mionami i powodują precesję.

Krnjaic i Hooper napisali pracę, w której opisują, co istnienie cząstki nazwanej „Z prime” mogłoby oznaczać dla Wszechświata.

Cząstki te musiałyby istnieć od Wielkiego Wybuchu, a to oznaczałoby inne implikacje – na przykład mogłyby mieć wpływ na to, jak szybko rozszerzał się Wszechświat w pierwszych chwilach swojego istnienia.

Gordan Krnjaic

To z kolei może mieć związek z inną tajemnicą kosmologii, czyli tzw. stałą Hubble’a, która wskazuje, jak szybko Wszechświat się rozszerza. Liczba ta zmienia się nieznacznie w zależności od sposobu jej pomiaru – nie oznacza, że jest zmienna, ale wskazuje na brakujący element naszej wiedzy o Wszechświecie.

Diagram pokazujący zderzenia cząstek w LHC

Istnieją też inne, bardziej egzotyczne możliwości wykrytych rozbieżności, np. zderzanie mionów z cząstkami, które powodują szybką emisję energii i znikają do innych wymiarów. Fizycy cząstek elementarnych nie mogą odrzuć żadnej, nawet najdziwniejszej teorii bez jej weryfikacji.

Nie chcemy przeoczyć czegoś tylko dlatego, że brzmiało dziwnie. Ciągle próbujemy potrząsnąć drzewami, aby wydobyć każdy pomysł, jaki tylko możemy. Chcemy zapolować na to wszędzie, gdzie może się ukrywać.

Dan Hooper

Najpierw trzeba jednak potwierdzić, że wynik eksperymentu Muon g-2 jest prawdziwy. Dane opublikowane w kwietniu mówią o poziomie ufności 4,2 sigma. Warto zaznaczyć, że za stuprocentowy pomiar pewności uznaje się wartość 5 sigma. Różnica jest zatem niewielka.

Jeśli jest to rzeczywiście nowa fizyka, będziemy znacznie bliżej poznania jej za rok lub dwa.

Dan Hooper

W eksperymencie Muon g-2 jest bardzo dużo danych do przeanalizowania. Wkrótce pojawią się także wyniki złożonych obliczeń teoretycznych – tak skomplikowanych, że istniejące dziś superkomputery potrzebują miesięcy, by je zweryfikować.

Nadchodzi nowa era fizyki, nie ma co do tego wątpliwości.

Chcesz być na bieżąco z CHIP? Obserwuj nas w Google News