Wszystko przez anomalny moment magnetyczny mionu, oznaczany jako g-2. Mion zachowuje się w pewnym sensie jak niewielki magnes. Umieszczony w polu magnetycznym wykonuje charakterystyczny ruch, a jego dokładne zachowanie zależy od wartości współczynnika g. Zgodnie z prostym opisem mion powinien mieć wartość bliską 2, jednak mechanika kwantowa sprawia, że na jego ruch wpływają również inne cząstki.
W świecie kwantowym próżnia nie jest bowiem całkowicie pusta. Mion może emitować i ponownie pochłaniać krótkotrwałe cząstki, które pojawiają się na moment w wyniku oddziaływań kwantowych. Wszystkie te procesy powodują niewielkie zmiany w ruchu mionu. Precyzyjny pomiar g-2 jest dzięki temu wyjątkowym sposobem sprawdzania, czy w przyrodzie istnieją cząstki, których fizycy jeszcze nie znają.
Czytaj też: Chińczycy odnaleźli długo poszukiwaną cząstkę. Ogłosili przełom w fizyce cząstek elementarnych
Pierwszy poważny sygnał pojawił się w 2001 roku podczas eksperymentu w Brookhaven National Laboratory. Zmierzone zachowanie mionów różniło się od ówczesnych przewidywań teoretycznych. Wynik wzbudził ogromne zainteresowanie uczonych, ponieważ jedną z możliwych interpretacji było istnienie nieznanych cząstek, potencjalnie związanych nawet z tajemnicą ciemnej materii.
Aby sprawdzić ten wynik, ogromny pierścień magnetyczny wykorzystany w Brookhaven został w 2013 roku przetransportowany do Fermilab w Illinois. Tam fizycy przeprowadzili znacznie dokładniejsze pomiary. Wyniki ponownie wskazywały na rozbieżność pomiędzy eksperymentem a przewidywaniami teoretycznymi. Przez pewien czas wyglądało to jak jedna z najbardziej obiecujących wskazówek dotyczących możliwej nowej fizyki.
Kluczowy problem tkwił jednak w samych obliczeniach. Aby przewidzieć zachowanie mionu, fizycy muszą uwzględnić działanie wszystkich znanych sił. Największym wyzwaniem jest oddziaływanie silne, które odpowiada między innymi za wiązanie kwarków wewnątrz protonów i neutronów. W tym przypadku klasyczne metody obliczeniowe okazują się niewystarczające.
Czytaj też: Eksplozja w Hiroszimie stworzyła materiał, jakiego wcześniej nie znała nauka
Jednym ze sposobów rozwiązania problemu jest QCD, czyli chromodynamika kwantowa na sieci. Fizycy dzielą przestrzeń na ogromną matematyczną siatkę i za pomocą potężnych komputerów symulują zachowanie kwarków oraz gluonów. Przez lata metoda ta była zbyt mało dokładna, aby konkurować z obliczeniami opartymi na danych eksperymentalnych. Wraz z rozwojem komputerów sytuacja zaczęła się jednak zmieniać.
W 2021 roku grupa zrzeszająca naukowców z Węgier, Francji i Niemiec przedstawiła niezwykle dokładne obliczenia oparte na wspomnianej QCD. Ich wynik sugerował, iż mion zachowuje się dokładnie tak, jak przewiduje model standardowy. Kolejne niezależne zespoły uzyskały podobne rezultaty. W efekcie wielu fizyków uznało, że długoletnia zagadka mionu może odejść w zapomnienia. Nie trzeba odwoływać się do nieznanych cząstek, ponieważ obserwowany efekt można wyjaśnić za pomocą znanych cząstek i znanych praw fizyki.
Pozostało jednak pytanie: dlaczego wcześniejsze obliczenia, również oparte na danych eksperymentalnych, dawały inny rezultat? Odpowiedź miała tkwić w eksperymentach, z których pochodziły dane wykorzystywane do wcześniejszych przewidywań. Naukowcy zwrócili szczególną uwagę na zderzenia elektronów i pozytonów. Podczas takich kolizji powstają między innymi piony, czyli cząstki zbudowane z kwarków. Analiza częstości ich powstawania pozwala pośrednio określić, jak oddziaływanie silne wpływa na mion.
Akcelerator VEPP-2000 w Nowosybirsku namierzył coś zaskakującego: częstość produkcji pionów wyraźnie różniła się od wcześniejszych wyników uzyskanych przy użyciu tego samego akceleratora. To odkrycie wydaje się być kluczem do rozwikłania całej zagadki. Nowe pomiary wydają się zgadzać z wynikami uzyskiwanymi za pomocą najnowszych symulacji komputerowych, podczas gdy wcześniejsze dane lepiej pasują do starszych przewidywań.
Co więcej, podobne rozbieżności zaczęły pojawiać się również przy porównywaniu wyników różnych eksperymentów prowadzonych w Stanach Zjednoczonych i Europie. Fizycy stoją więc przed nowym problemem. Możliwe, że wcześniejsze eksperymenty zawierały trudny do wykrycia błąd systematyczny lub różnice wynikające ze sposobu przeprowadzania pomiarów. Nie można jednak całkowicie wykluczyć bardziej niezwykłego scenariusza, w którym za rozbieżności odpowiadają nieznane cząstki lub inne zjawiska wykraczające poza model standardowy.
Źródło: Quanta Magazine
