Niewidzialne cząstki w akcji, czyli co dzieje się w najmniejszej skali
Podczas gdy w makroświecie światło przechodzi przez światło bez zakłóceń, w skali kwantowej sytuacja wygląda zupełnie inaczej. Jak wykazał zespół z Austrii, fotony mogą oddziaływać ze sobą, tworząc cząstki wirtualne. Są to ulotne byty pojawiające się i znikające w ułamkach sekund. I choć tych cząstek wirtualnych nie można obserwować bezpośrednio, mają one mierzalny wpływ na inne cząstki. Zachodzące w takich okolicznościach niewidzialne oddziaływanie można określić mianem rozpraszania światła na świetle. Ma ono miejsce, gdy fotony przekształcają się chwilowo w pary elektron-pozyton lub cięższe cząstki, takie jak mezony. I nawet jeśli to zjawisko wydaje się egzotyczne, jego efekty są całkiem realne i wpływają na właściwości innych cząstek w ich otoczeniu.
Czytaj też: Trzy kilogramy germanu wystarczyły do zrewolucjonizowania fizyki. Neutrina nie mają już tajemnic
Grupa z Wiednia zastosowała niestandardową metodę badawczą. Zamiast tradycyjnych technik analitycznych, tamtejsi naukowcy wykorzystali holograficzną chromodynamikę kwantową (hQCD), czyli koncepcję matematyczną odwzorowującą procesy czterowymiarowe w pięciowymiarowej przestrzeni z grawitacją. Jak przyznają po fakcie, problem polega na tym, że konwencjonalne obliczenia analityczne mogą dobrze opisywać silne oddziaływania kwarków tylko w przypadkach granicznych. Na szczęście udało się ominąć ograniczenia, do czego kluczem była nowa metoda. Dzięki niej okazało się, że mezony tensorowe – cząstki złożone z kwarku i antykwarku – były dotychczas wyraźnie niedoceniane. Ich udział w symetrycznym ograniczeniu krótkozasięgowym wzrósł z 81% do ponad 93%, a być może nawet do 98%. To całkiem spory przeskok w dziedzinie uważanej za dobrze zbadaną.
Znaczenie dla modelu standardowego i plany na dalsze eksperymenty
Nowe obliczenia sugerują, jakoby mezony tensorowe wniosiły znaczący pozytywny wkład do anomalnego momentu magnetycznego mionu – rzędu 9,8 do 11,0 × 10⁻¹¹. Choć wartość ta wydaje się mikroskopijna, w fizyce cząstek każda korekta ma kolosalne znaczenie.
Udało nam się teraz wykazać, że jeden z nich, mezony tensorowe, był znacznie niedoceniany. Poprzez efekt rozpraszania światła na świetle, wpływają one na właściwości magnetyczne mionów — wyjaśnia jeden z autorów badania, Jonas Mager
Moment magnetyczny mionu to jeden z najprecyzyjniejszych testów modelu standardowego, opisującego wszystkie znane cząstki elementarne i siły natury (poza grawitacją). Od lat utrzymująca się rozbieżność między przewidywaniami teoretycznymi a wynikami doświadczalnymi sugerowała istnienie “nowej fizyki” wykraczającej poza ten model. Najnowsze symulacje sugerują wartości od 109,6 do 125,5 × 10⁻¹¹, podczas gdy starsze modele dawały jedynie około 101,9 × 10⁻¹¹. Uwzględnienie mezonów tensorowych może przesunąć wartość centralną do ok. 113 × 10⁻¹¹. Taka różnica w codziennym życiu byłaby niczym odmienność pomiarów między linijką a laserowym dalmierzem.
Czytaj też: Fizycy rozstrzygnęli wieloletni spór. Z jednej strony Einstein, z drugiej Bohr
I nawet jeśli dokonane odkrycie nie doprowadzi do ustanowienia nowej fizyki, to stanowi istotny krok w zrozumieniu znanych nam praw przyrody. Precyzyjne modelowanie w fizyce cząstek wymaga uwzględnienia wszystkich procesów kwantowych, nawet tych pozornie marginalnych. Anton Rebhan, który również brał udział w ostatnich eksperymentach, dodaje, że teraz on i jego współpracownicy dysponują symulacjami komputerowymi i wynikami analitycznymi, które dobrze do siebie pasują, lecz zarazem odbiegają od pewnych wcześniejszych założeń. Badacze liczą, że ich praca będzie stanowiła zachętę do nowych eksperymentów z udziałem mezonów tensorowych. Dopiero empiryczna weryfikacja pokaże, czy rozbieżności w pomiarach faktycznie wskazują na nieznane zjawiska, czy po prostu wynikają z niedoskonałości naszych modeli teoretycznych. Wyniki dotychczasowych badań opublikowano w Physical Review Letters.