Nie ma nic ciekawszego w życiu naukowca, niż otrzymanie wyniku, który podważa wszystkie dotychczasowe ustalenia i obowiązujące modele opisujące otaczającą nas rzeczywistość.

W ramach międzynarodowego eksperymentu Muon g-2 prowadzonego w laboratorium Fermilab zespołowi naukowców udało się nie tylko potwierdzić, ale także wzmocnić przełomowy wynik ogłoszony w 2021 roku. Wszystko wskazuje na to, że trwające od niemal dwóch dekad starcie między eksperymentami a Modelem Standardowym wchodzi na zupełnie nowy poziom.

Czytaj także: Przełom w Fermilab. Akceleratory cząstek będą jeszcze lepsze

Według fizyków zaangażowanych w badania eksperyment wszedł już na poziom, na którym jeszcze nigdy się nie znajdowaliśmy. Anomalny moment magnetyczny mionu badamy z coraz większą dokładnością i wciąż zdaje się on nie zgadzać z Modelem Standardowym. Co do zasady, naukowcy dokonują przewidywań wynikających z Modelu Standardowego, a następnie porównują je z wynikami eksperymentów. Jeżeli się ze sobą zgadzają, wzmacniają model i utwierdzają fizyków w przekonaniu, że teoria ta jest kompletna. Jeżeli nie ma zgody między eksperymentem a modelem, pojawia się możliwość, że istnieje jeszcze jakiś dodatkowy element fizyki, o którym na razie nic nie wiemy.

Miony, choć mniej powszechnie znane od elektronów, są tylko cząstkami podstawowymi około 200 razy od nich cięższymi. Tak samo jak elektrony, miony mają we wnętrzu niewielki magnes, który w obecności pola magnetycznego ulega precesji i wibracji. Tempo precesji (zmiany osi wirowania niczym w klasycznym bączku) zależy bezpośrednio od momentu magnetycznego mionu, oznaczanego literą g.

Miony wskazują na to, że istnieje coś jeszcze poza Modelem Standardowym

Wszelkie odchylenia od g = 2 zazwyczaj tłumaczy się oddziaływaniami mionu z cząstkami tzw. piany kwantowej. Cząstki te bezustannie pojawiają się i znikają chwilowo, zmieniając interakcje mionu z polem magnetycznym. W Modelu Standardowym opisano już wszystkie znane cząstki takiej piany kwantowej.

I tu właśnie pojawia się najważniejsze pytanie. Wszystkie pomiary wskazują, że mogą istnieć także inne, nieodkryte jeszcze cząstki, które wpływają na moment magnetyczny mionu. To z kolei oznacza, że możemy mieć do czynienia z cząstkami, o których fizyka obecnie zupełnie nic nie wie.

Najnowszy wynik eksperymentu Muon g-2 uzyskany po uwzględnieniu danych z pierwszych trzech lat wynosi:

g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (stat.) +/- 0,00000000019 (syst.)

Między wynikiem z 2021 roku a tym ogłoszonym właśnie w periodyku Physical Review Letters naukowcy znacząco zmniejszyli poziom niepewności pomiarowej spowodowanej niedoskonałościami eksperymentalnymi.

Drugą istotną niepewnością jest niepewność statystyczna, która zależy bezpośrednio od ilości analizowanych danych. Dokładając zatem dane z dwóch lat do danych z jednego roku, także udało się ją istotnie zmniejszyć. Ostateczną niepewność statystyczną da się osiągnąć dopiero po analizie danych z sześciu lat, na co jeszcze trzeba kilka lat poczekać.

Czytaj także: Naukowcy z CERN zważyli bozon W. Wyniku znów nie da się wytłumaczyć

Oprócz większego zestawu danych, ten najnowszy pomiar g-2 został wzbogacony o udoskonalenie samego eksperymentu realizowanego przez Fermilab. Między pierwszym a drugim i trzecim rokiem zbierania danych naukowcy udoskonalili wiele komponentów samego oprzyrządowania.

Wiązka mionów poruszająca się i analizowana w magnetycznym pierścieniu przez detektory ustawione wzdłuż tego pierścienia została wyłączona 9 lipca 2023 roku. Tym samym zakończył się trwający sześć lat eksperyment.

Teraz potrzeba kilku lat na zakończenie analizy wszystkich danych i poszukiwanie wszystkich cząstek, które wpływały na moment magnetyczny mionów. Jak na razie udało się przeanalizować dane z trzech pierwszych lat. Obliczenia te wymagają przede wszystkim czasu, bowiem trzeba uwzględnić nie tylko wszelkie oddziaływania: elektromagnetyczne, słabe, silny, ale także fotony, elektrony, kwarki, gluony, neutrina i bozony. Analiza danych z lat kolejnych wciąż trwa i pozwoli jeszcze znacząco zmniejszyć niepewności i przybliżyć nas do odpowiedzi, czy Model Standardowy faktycznie opisuje całościowo otaczającą nas rzeczywistość, czy wciąż jeszcze pozostało nam do odkrycia. W pracach bierze udział niemal 200 naukowców z 34 instytucji na całym świecie.