Ενα λεπτόνιο με μεγάλα προβλήματα -το μιόνιο

Ενα λεπτόνιο με μεγάλα προβλήματα -το μιόνιο. Αρθρο για τον παράγοντα g-2 του μιονίου και ηλεκτρονίου

13-Μαρτίου-2001

Πάνω από τριάντα χρόνια τώρα οι φυσικοί μπορούν και εξηγούν τα αποτελέσματα των πειραμάτων της φυσικής υψηλών ενεργειών με όρους της θεωρίας που αποκαλείται Καθιερωμένο Πρότυπο.
Τώρα το πρότυπο αυτό αμφισβητείται από νέα δεδομένα που πρέκυψαν στο Εθνικό Εργαστήριο του Brookhaven στις Ηνωμένες Πολιτείες. Ακριβείς μετρήσεις της συμπεριφοράς των μιονίων σε μαγνητικό πεδίο, διαφωνούν με τις θεωρητικές προβλέψεις περίπου κατά 4 μέρη στο 1.000.000 και θα μπορούσαν να υπαινίσσονται μια "Νέα Φυσική" πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο.

"Είμαστε κατά 99% σίγουροι ότι οι υπολογισμοί που γίνονται με βάση το καθιερωμένο πρότυπο δεν μπορούν να ερμηνεύσουν τα δεδομένα" δήλωσε ο διευθυντής του πειραματικού προγράμματος Gerry.

"Υπάρχουν τρεις πιθανές ερμηνείες των αποτελεσμάτων" λέει ο Hughes από το Πανεπιστήμιο που είναι ένας από τους συντελεστές του πειράματος. "Εν πρώτοις μια νέα φυσική πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο όπως πχ η υπερσυμμετρία μπορεί να χρειάζεται. Δεύτερον υπάρχει επίσης μια μικρή στατιστικά πιθανότητα οι πειραματικές και θεωρητικές τιμές να είναι συνεπείς. Τρίτον, αν και μάλλον απίθανο, υπάρχει πάντα η πιθανότητα του λάθους στη θεωρία και στο πείραμα.

Το Καθιερωμένο πρότυπο είναι μια συνολική θεωρία της σωματιδιακής φυσικής η οποία αναπτύχθηκε από τη δεκαετία του 60 και άντεξε στις πειραματικές προκλήσεις για 30 χρόνια. Εξηγεί και βάζει σε τάξη το ζωολογικό κήπο των υποατομικών σωματίων που ανακαλύφθηκαν από τις δεκαετίες του ’40 και ’50 στους διάφορους επιταχυντές ανά τον κόσμο. Η θεωρία αυτή ενσωματώνει τρεις από τις τέσσερις δυνάμεις που γνωρίζουμε ότι υπάρχουν στο Σύμπαν – την ισχυρή δύναμη, την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, και την ασθενή δύναμη αλλά όχι και την τέταρτη δύναμη την βαρύτητα.

Τα συμπεράσματά της για το ποια θεωρεί ως στοιχειώδη σωματίδια περικλείονται στον παρακάτω πίνακα.

Φερμιόνια : Τα βασικά σωμάτια της ύλης το καθένα με spin 1/2

Τα Λεπτόνια και η ασθενής δύναμη			Τα Quarks και η ισχυρή δύναμη
Ονομα	Φορτίο	Μάζα	Ονομα	Φορτίο	Μάζα
ηλεκτρόνιο	-1	1	up	2/3	20
νετρίνο ηλεκτρονίου	0	0	down	-1/3	20
μιόνιο	0	200	charm	2/3	3000
νετρίνο μιονίου	0	0	strange	-1/3	300
ταύ	-1	3600	top	2/3	350000
νετρίνο ταυ	0	0	bottom	-1/3	11000

Τα σωμάτια που θεωρούνται φορείς των 4 δυνάμεων στο Καθιερωμένο πρότυπο φαίνονται στον παρακάτω πίνακα. Μποζόνια : Τα σωμάτια ανταλλαγής των διαφόρων πεδίων δυνάμεων.

Φωτόνιο	1	Ηλεκτρομαγνητική δύναμη
γκλουόνια (8 είδη)	1	Ισχυρή πυρηνική
W+, W-, Zo μποζόνια	1	Ασθενής πυρηνική
βαρυτόνιο	2	Βαρυτική δύναμη

Παρόλες τις μέχρι τώρα επιτυχίες του καθιερωμένου προτύπου, αυτό περιέχει 17 παραμέτρους που πρέπει να εισαχθούν εκ των υστέρων και δεν υπολογίζονται από την ίδια τη θεωρία. Οι φυσικοί πιστεύουν ότι αποτελεί μια προσέγγιση σε μια πιο θεμελιώδη θεωρία. Εκτός τούτου το καθιερωμένο πρότυπο δεν ενσωματώνει μέχρι τώρα και την τέταρτη δύναμη, τη βαρύτητα.

Οι τιμές του παράγοντα g-2 για τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια είναι από τα φυσικά μεγέθη που γνωρίζουμε με τη μεγαλύτερη ακρίβεια στη φυσική και έχουν μια καλή συμφωνία με τις προβλέψεις του καθιερωμένου προτύπου. Η τιμή του παράγοντα g-2 μετράει τα αποτελέσματα της ισχυρής, ασθενούς, και ηλεκτρομαγνητικής δύναμης στο spin των σωματιδίων. Χρησιμοποιώντας το καθιερωμένο πρότυπο οι θεωρητικοί έχουν υπολογίσει με μεγάλη ακρίβεια πως το spin του μιονίου θα επηρεαστεί καθώς κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Εφόσον όλα τα quarks και τα λεπτόνια έχουν μια εσωτερική στροφορμή το spin, έχουν και μαγνητική ροπή η οποία είναι ανάλογη προς το spin κατά τον παράγοντα g. Η απλή κβαντική θεωρία προβλέπει ότι το g = 2 τόσο για το ηλεκτρόνιο όσο και για το μιόνιο.

Οι υπολογισμοί όμως αυτοί δεν περιλαμβάνουν «διορθώσεις ακτινοβολίας» που προέρχονται από τη συνεχή εκπομπή και επαναπορρόφηση βραχύβιων «δυνάμει-σωματιδίων» (virtual particles) από το μιόνιο και ηλεκτρόνιο. Οι διορθώσεις αυτές κάνουν τον παράγοντα g ευαίσθητο στην ύπαρξη άλλων σωματιδίων, είτε γνωστών όπως τα ηλεκτρόνια και φωτόνια αλλά και άλλων αγνώστων σωματιδίων που δεν έχουν ακόμα παρατηρηθεί και δεν τα προβλέπει το καθιερωμένο πρότυπο.

Το καθιερωμένο πρότυπο λοιπόν, λαμβάνοντας υπόψιν τις διορθώσεις στον παράγοντα g του μιονίου που μπορούν να επιφέρουν οι αλληλεπιδράσεις του με τα γνωστά σωματίδια καταλήγει σε μια τιμή η οποία επιβεβαιώνεται με αρκετή ακρίβεια από την πειραματική μελέτη της κίνησης του μιονίου μέσα σε μαγνητικό πεδίο.

Οι επιστήμονες όμως στο Brookhaven χρησιμοποιώντας μια δέσμη μιονίων πολύ υψηλής έντασης, ισχυρούς υπεραγώγιμους μαγνήτες και πολύ ακριβείς και ευαίσθητους ανιχνευτές μέτρησαν τον παράγοντα g-2 με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια. Το καινούργιο αποτέλεσμα είναι αριθμητικά μεγαλύτερο από την πρόβλεψη. Γι αυτό αρκετοί φυσικοί υποψιάζονται ότι η παρατηρούμενη διαφορά οφείλεται στην αλληλεπίδραση του μιονίου με άλλα άγνωστα μέχρι τώρα σωματίδια που ίσως προβλέπονται από τη νέα υπό δοκιμή θεωρία της υπερσυμμετρίας.

Η υπερσυμμετρία προτείνει ότι σε καθένα από τα γνωστά φερμιόνια αντιστοιχεί ένας υπερσυνέργάτης ή υπερεταίρος (superpartner), ένα μποζόνιο και αντίστροφα σε κάθε μποζόνιο φορέα μιας δύναμης αντιστοιχεί ένα υπερεταίρος φερμιόνιο.

Γνωστά σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις, και οι πιθανοί τους υπερεταίροι superpartners)

Ονομα	Spin	Superpartner	Spin
Γκραβιτόνιο	2	Gravitino	3/2
Φωτόνιο	1	Photino	1/2
Γκλουόνιο	1	Gluino	1/2
W^+,-	1	Wino^+,-	1/2
Z⁰	1	Zino	1/2
Higgs	0	Higgsino	1/2

Γνωστά σωματίδια που φτιάχνουν την ύλη, και οι πιθανοί τους υπερσυνεργάτες (superpartners)

Όνομα	Spin	Superpartner
Ηλεκτρόνιο	1/2	Selectron
Μιόνιο	1/2	Smuon
Tau	1/2	Stau
Νετρίνο	1/2	Sneutrino
Quark	1/2	Squark

Δείτε και τα σχετικά άρθρα

Η ανωμαλία του spin του μιονίου για να εξηγηθεί μπορεί να απαιτήσει μια Νέα Φυσική

Ρωγμή στην θεωρία της Φυσικής εξ'αιτίας του μιονίου. Αναδύεται η υπερσυμμετρία;

Θεωρία των χορδών - Kalusa-Klein

Σωματιδιακή Φυσική

Ενδιαφέρουσες ιστοσελίδες

The Brookhaven experiment's page

University of Illinois' collaboration

Boston University's collaboration

Home