Zagadkowe zniknięcie efektu kwantowego
W świecie fizyki jądrowej pewne procesy uznaje się za fundamentalne i niezmienne. Gdy elektrony zderzają się z jądrem, dochodzi do wymiany wirtualnych fotonów, co przy odwróceniu spinu elektronu powoduje subtelną, acz mierzalną zmianę w rozpraszaniu. W przypadku większości pierwiastków proces ten jest dobrze zrozumiały i przewidywalny: efekt zmienia się płynnie wraz z energią wiązki. Ołów postanowił być wyjątkiem. Wcześniejsze pomiary przeprowadzone w amerykańskim Jefferson Lab wykazały coś dziwnego. Ten właśnie efekt, który powinien być wyraźnie widoczny, po prostu zanikał. To trochę tak, jakby grawitacja nagle przestała działać tylko dla jednego, konkretnego materiału.
Czytaj też: Od zabawki do przełomu. Niesamowity eksperyment nastolatka pozornie przeczy zasadom fizyki
Aby rozwikłać tę zagadkę, zespół naukowców z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji wykorzystał zaawansowany akcelerator elektronów Mainz Microtron (MAMI) wraz z czułymi spektrometrami A1. Spodziewano się albo potwierdzenia braku efektu, albo jego słabej detekcji. Tymczasem wyniki były szokujące. Efekt nie tylko się pojawił, lecz okazał się znacznie silniejszy niż przewidywały jakiekolwiek modele. Co więcej, zachowanie ołowiu okazało się wyjątkowo kapryśne. W innych pierwiastkach zmiana efektu wraz z energią jest stopniowa. Tutaj zaobserwowano nagłe, nieprzewidywalne skoki. Wygląda to tak, jakby jądra ołowiu żyły według własnego, nieznanego nam zestawu praw. Wyniki badań w tej sprawie zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.
Nasz wynik potwierdza, że zagadka jest prawdziwa, i oznacza to, że istnieje niezbadana fizyka w sposobie, w jaki elektrony badają ciężkie jądra, i potrzebujemy nowych idei teoretycznych, aby to zrozumieć – relacjonuje Concettina Sfienti z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga
Dlaczego anomalia w ołowiu ma znaczenie dla kolejnych badań?
Odkrycie to nie jest jedynie akademicką ciekawostką. Ma bezpośredni i pilny wpływ na planowane na całym świecie eksperymenty precyzyjne, których celem jest testowanie granic modelu standardowego. W samym centrum badawczym w Moguncji powstaje nowy akcelerator MESA, gdzie przeprowadzony zostanie eksperyment P2 – jeden z najdokładniejszych testów oddziaływań elektrosłabych. Problem polega na tym, iż bez pełnego zrozumienia tego, co dzieje się w jądrach ołowiu, wyniki przyszłych badań mogą zostać błędnie zinterpretowane. Efekt wymiany dwóch fotonów w ciężkich jądrach musi być precyzyjnie uwzględniony w analizie danych. Jeśli pozostanie nieznany, naukowcy mogą pomylić ślad zupełnie nowej fizyki ze zwykłą, choć niezrozumianą, anomalią.
Czytaj też: Ultrazimne cząsteczki rozwiały wieloletnie wątpliwości. Nowy rozdział w badaniach nad pierwiastkami
Dzięki temu nowemu wynikowi z MAMI uzyskujemy znacznie jaśniejsze poczucie tego, co należy zrozumieć, zanim przejdziemy na wyższy poziom. To, co mierzymy dzisiaj, bezpośrednio kształtuje plan działania dla precyzyjnej fizyki jutra – dodaje Sfienti
Nauka wciąż nie zna odpowiedzi na kluczowe pytania. Dlaczego tylko ołów zachowuje się w ten sposób? Czy podobne efekty występują w innych ciężkich pierwiastkach, takich jak złoto czy bizmut? Który składnik struktury jądrowej odpowiada za te nagłe zmiany? Kolejnym krokiem będzie rozszerzenie pomiarów na szerszy zakres energii oraz porównanie ołowiu z innymi ciężkimi jądrami.