Badania przeprowadzone w eksperymencie Muon g-2 w Fermilab potwierdziły wcześniejsze doniesienia, że miony, ulotne cząstki elementarne pokrewne z elektronami, mają większy moment magnetyczny niż przewidywałby to Model Standardowy. Według fizyków, najlepszym wyjaśnieniem uzyskanych wyników jest to, że miony wchodzą w interakcje z nieznaną jeszcze nauce cząstką.
Dziwne zachowanie mionów może wskazywać na istnienie egzotycznych cząstek i sił wykraczających poza Model Standardowy. Fizycy już wcześniej zgłaszali obserwacje tej anomalii, a nowy zestaw pomiarów wydaje się potwierdzać ich przypuszczenia. Rezultaty najnowszych ustaleń ukazały się na łamach pisma "Physical Review Letters".
Model Standardowy to jedna z najważniejszych teorii we współczesnej fizyce. Naukowcy używają go do opisania wszystkich znanych cząstek elementarnych we Wszechświecie oraz sił, przez które oddziałują. Model zaczęto rozwijać jeszcze w latach 70. ubiegłego wieku i chociaż jest on naszym najbardziej wszechstronnym i dokładnym modelem dla fizyki cząstek elementarnych, zawiera luki, przez co nie jest w stanie wyjaśnić wszystkiego, chociażby tego, z czego składa się ciemna materia lub dlaczego we Wszechświecie obserwujemy o wiele więcej materii niż antymaterii.
Dlatego naukowcy poszukują cząstek zachowujących się w inny sposób, niż można by się spodziewać po przewidywaniach Modelu Standardowego, aby móc wyjaśnić niektóre z tych tajemnic.
- Od lat 70-tych szukaliśmy pęknięcia w Modelu Standardowym - mówi Alexey Petrow z Wayne State University. - To może być to - dodaje. Ale Sally Dawson z Brookhaven National Laboratory wskazuje, że wynik nadal nie jest ostateczny. - Nie zmienia to naszego zrozumienia fizyki. Musimy poczekać i przekonać się, czy pomiary są prawdziwe – zaznacza.
Przez dziesięciolecia fizycy mierzyli magnetyzm mionów. Miony to nietrwałe cząstki elementarne należące do kategorii leptonów. Są spokrewnione z elektronami – posiadają takie same własności, ale mają ponad 200 razy większą masę. Docierają do Ziemi wraz z promieniowaniem kosmicznym.
Podróżując z prędkością zbliżoną do prędkości światła miony bombardują naszą planetę ze wszystkich stron. Każdy obszar Ziemi o wielkości dłoni jest uderzany mniej więcej jednym mionem na sekundę. Cząstki te mogą przenikać przez setki metrów stałego materiału, zanim zostaną zaabsorbowane.
Pierwsze doniesienia, że coś jest nie tak z mionami pojawiły się w 2012 roku. Podczas eksperymentów prowadzonych w Brookhaven National Laboratory w Upton fizycy zmierzyli siłę momentu magnetycznego cząstki - właściwość, która sprawia, że zachowuje się ona jak mały magnes sztabkowy.
Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych mówi, że moment magnetyczny mionu – współczynnik g – ma wartość bardzo bliską, ale nie równą 2. W eksperymencie Brookhaven zmierzono tę niewielką różnicę, znaną jako g - 2, ale okazało się, że jest ona nieco większa, niż przewidywali teoretycy.
Ale na miony działa środowisko, w którym są obecne. Miony znajdują się w otoczeniu innych cząstek i antycząstek, które rozpadają się w ułamku sekundy, a te mogą wpływać na właściwości mionów.
Mechanika kwantowa i szczególna teoria względności Alberta Einsteina przewidują, że mion powinien mieć pewien podstawowy magnetyzm. Znane cząstki przelatujące wokół mionu zwiększają jego magnetyzm o około 0,1 proc. A nieznane cząstki czające się w próżni mogą dodać kolejny, nieprzewidywalny przyrost zmian.
Fizycy wykonują szczegółowe obliczenia udziału wszystkich znanych cząstek, więc jeśli wyniki eksperymentów różnią się znacznie od przewidywanej wartości g – 2, dowodzą, że nieznany dotąd typ cząstek musi odgrywać tutaj pewną rolę. Eksperyment Muon g – 2 dał wielu fizykom nadzieję, że wkrótce zostaną odkryte nowe cząstki, wykraczające poza Model Standardowy.
- Wielkości, które mierzymy, odzwierciedlają interakcje mionu ze wszystkim innym we Wszechświecie. Ale kiedy teoretycy przeprowadzają obliczenia, biorąc pod uwagę wszystkie znane nam cząstki i siły z Modelu Standardowego, ich wynik jest różny z pomiarami dokonanymi w naszym eksperymencie. To mocna wskazówka na to, że mion jest wrażliwy na coś, co nie jest ujęte w Modelu Standardowym – podkreśla Renee Fatemi z University of Kentucky.
Wyniki uzyskane w Brookhaven nie były wystarczająco istotne statystycznie, aby udowodnić, że Model Standardowy jest błędny, ale były wystarczające, by zainteresować fizyków. Dlatego uczeni postanowili zweryfikować te pomiary. Przenieśli aparaturę – m.in. nadprzewodzący magnetyczny pierścień o średnicy ponad 15 metrów – do Fermilab i udoskonalili ją o najnowocześniejszy sprzęt pomiarowy. Eksperyment Muon g – 2 w Fermilab zaczął zbierać dane w 2018 roku. Teraz badacze przedstawili wyniki z pierwszego roku obserwacji, które potwierdziły wcześniejsze pomiary.
- Mogliśmy popełnić błąd w Brookhaven, ale wtedy w Fermilab, które ma znacznie bardziej wyrafinowaną konfigurację, uzyskalibyśmy inną odpowiedź, ale nie uzyskaliśmy - mówi William Morse z Brookhaven National Laboratory.
Chociaż odkrycie to nie zostało jeszcze całkowicie potwierdzone, jest to najsilniejszy dowód na to, że nie tylko istnieje nieznana fizyka, ale że wiemy, gdzie zacząć poszukiwania.
Istotność statystyczna uzyskanych wyników, czyli różnicy między obliczeniami teoretycznymi a pomiarami wynosi 4,2 sigma. Od 5 sigma w fizyce można już mówić o odkryciu, co oznacza, że to wciąż za mało, aby potwierdzić ostateczne odkrycie. - Ci, którzy byli sceptyczni, prawdopodobnie pozostaną sceptyczni. W tym momencie piłeczka jest po stronie teoretyków – mówi Gino Isidori z Uniwersytetu w Zurychu.
W eksperymencie wzięło udział ponad 200 naukowców z całego świata. W sumie przeanalizowano ruch około ośmiu miliardów mionów, uzyskano 21 razy więcej danych niż w pierwotnym eksperymencie i, jak oszacowali eksperci, uzyskany wyniki jest 10 tys. razy dokładniejszy od pomiarów w Brookhaven. Obecnie analizowane są dane z drugiej i trzeciej kampanii obserwacyjnej, podczas gdy czwarta jest obecnie w trakcie, a piąta w planach.
Źródło: Nature, Science, fot. Fermilab. Na zdjęciu aparatury używana w eksperymencie Muon g-2
