Σωματιδιακή φυσική

Επιβεβαιώθηκε ξανά η ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου στο Fermilab

Written by Δ.Μ.

Τα πρώτα αποτελέσματα του πειράματος Muon g-2 που διεξάγεται στον επιταχυντή Fermi, αποκάλυψαν ότι τα θεμελιώδη σωματίδια που ονομάζονται μιόνια, συμπεριφέρονται με τρόπο διαφορετικό από αυτόν που προβλέπει η επικρατούσα θεωρία του Καθιερωμένου Πρότυπου. Αυτό το αποτέλεσμα-ορόσημο, που δημοσιεύθηκε στο «Physical Review Letters», επιβεβαιώνει μια απόκλιση που «ταλαιπωρεί» τους ερευνητές εδώ και δεκαετίες.

Share

Τα πρώτα αποτελέσματα του πειράματος Muon g-2 που διεξάγεται στον επιταχυντή Fermi, αποκάλυψαν ότι τα θεμελιώδη σωματίδια που ονομάζονται μιόνια, συμπεριφέρονται με τρόπο διαφορετικό από αυτόν  που προβλέπει η επικρατούσα θεωρία του Καθιερωμένου Πρότυπου. Αυτό το αποτέλεσμα-ορόσημο, που δημοσιεύθηκε στο «Physical Review Letters», επιβεβαιώνει μια απόκλιση που «ταλαιπωρεί» τους ερευνητές εδώ και δεκαετίες.

17-0188-17.hr_

Σε αυτό το πείραμα τα μιόνια λειτουργούν ως ένα «παράθυρο» στον κόσμο των υποατομικών σωματιδίων και θα μπορούσαν να αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια ή δυνάμεις που δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμη.

Τα μιόνια, ως ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, περιστρέφονται όταν βρεθούν σε μαγνητικό πεδίο και η συχνότητα αυτής της περιστροφής, που μπορεί να μετρηθεί, εξαρτάται από τις αλληλεπιδράσεις του μιονίου με άλλα σωματίδια και δυνάμεις, κάτι που αντιπροσωπεύει ο λεγόμενος «παράγοντας g». Η τιμή αυτού του παράγοντα μπορεί να υπολογισθεί με ακρίβεια με τη βοήθεια του καθιερωμένου μοντέλου (Standard Model) της σωματιδιακής φυσικής που αναπτύχθηκε πριν περίπου 50 χρόνια.

Την τελευταία φορά που πραγματοποιήθηκε αυτή η εξαιρετικά ακριβής μέτρηση ήταν στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στα τέλη της δεκαετίας του 1990 και στις αρχές της δεκαετίας του 2000, που απέκλινε από το «Καθιερωμένο Πρότυπο» (SM) κατά 3.7σ. Μετά από περισσότερα από πέντε χρόνια εργασίας για την ανοικοδόμηση του πειράματος του Brookhaven στο Fermilab και την ανάλυση των πρώτων δεδομένων του, η ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου μετρήθηκε στα 116 592 040 (54) × 10-11. Το αποτέλεσμα συμφωνεί με τη μέτρηση του Brookhaven και είναι κατά 3,3σ μεγαλύτερη από την πρόβλεψη του καθιερωμένου προτύπου (116 591 810 (43) × 10-11). Σε συνδυασμό με το αποτέλεσμα του Brookhaven, η παγκόσμια μέση τιμή για την ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου είναι 116 592 061 (41) × 10-11, και αντιπροσωπεύει μια απόκλιση 4,2σ από το SM.

«Είναι μια εξαιρετική μέρα που περιμέναμε εδώ και καιρό, όχι μόνο εμείς αλλά και ολόκληρη η διεθνής κοινότητα της Φυσικής», λέει ο Γκρατσιάνο Βεναντζόνι του Εθνικoύ Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής στην Πίζα της Ιταλίας, ο οποίος είναι συν-εκπρόσωπος της συνεργασίας Fermilab muon g-2. «Οι νέοι ερευνητές μας, με το ταλέντο, τις ιδέες και τον ενθουσιασμό τους, μας επέτρεψαν να επιτύχουμε αυτό το απίστευτο αποτέλεσμα».

«Αναλύσαμε δεδομένα από την διαδρομή του Muon g-2 στο Fermilab και ανακαλύψαμε ότι το καθιερωμένο πρότυπο δεν μπορεί να εξηγήσει από μόνο του τι βρήκαμε. Ίσως χρειαστεί κάτι άλλο, πέρα από αυτό το πρότυπο», δήλωσε ο Ντέιβιντ Χέρτζογκ, καθηγητής φυσικής του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον

Μαγνητικές μετρήσεις

Το πείραμα Muon g – 2 μετρά τη μαγνητική ροπή του μιονίου που ταξίδευαν σε ένα κυκλικό δακτύλιο διαμέτρου 15 μέτρων. Ένας ισχυρός μαγνήτης κρατά τα μιόνια στην κυκλική τους τροχιά και ταυτόχρονα κάνει τον μαγνητικό άξονα Βορρά-Νότου να περιστρέφεται. Όσο ισχυρότερη είναι η μαγνητική ροπή των σωματιδίων, τόσο πιο γρήγορα περιστρέφεται ο άξονας. «Αυτό που μετράμε είναι ο ρυθμός με τον οποίο το μιόνιο περιστρέφεται στο μαγνητικό πεδίο», εξηγεί στο Nature ο Λι Ρόμπερτς, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης στη Μασαχουσέτη, ο οποίος εργάζεται στο έργο αυτό από το 1989.

Η απόκλιση από τις θεωρητικές εκτιμήσεις του αρχικού πειράματος ήταν ελάχιστη, αλλά αρκετά μεγάλη ώστε να προκαλέσει προβληματισμό στους επιστήμονες. Σύμφωνα με την κβαντική φυσική, στοιχειώδη σωματίδια όπως το μιόνιο και το ηλεκτρόνιο, έχουν μαγνητική ροπή ισοδύναμη με 2. Ωστόσο, ένας πιο ακριβής υπολογισμός αποκαλύπτει μια απόκλιση από αυτήν την τέλεια τιμή, η οποία προκαλείται από το γεγονός ότι ένας κενός χώρος δεν είναι ποτέ πραγματικά άδειος.

Ο χώρος γύρω από ένα μιόνιο είναι γεμάτος με όλα τα είδη «εικονικών σωματιδίων», εφήμερες εκδόσεις δηλαδή, πραγματικών σωματιδίων που εμφανίζονται και εξαφανίζονται συνεχώς αλλάζοντας το μαγνητικό πεδίο του μιονίου.

Όσο περισσότεροι τύποι σωματιδίων υπάρχουν, τόσο οι εικονικές εκδόσεις τους επηρεάζουν τη μαγνητική ροπή. Αυτό σημαίνει ότι μια μέτρηση υψηλής ακρίβειας θα μπορούσε να αποκαλύψει έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξη άγνωστων σωματιδίων.

Η προκύπτουσα μαγνητική ροπή διαφέρει μόνο λίγο από το 2 και αυτή η μικρή απόκλιση εκφράζεται ως g – 2. Στο Brookhaven  το 2001, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι η τιμή του παράγοντα g – 2 ήταν 0,0023318319. Εκείνη την εποχή, αυτή η τιμή ήταν ελαφρώς μεγαλύτερη από τις εκτιμήσεις των θεωρητικών. Η ακρίβεια της μέτρησης δεν ήταν αρκετά υψηλή για να σιγουρευτούν οι επιστήμονες ότι η απόκλιση ήταν πραγματική, αλλά ήταν αρκετά μεγάλη για να προκαλέσει ενθουσιασμό στην επιστημονική κοινότητα.

Τα αποτελέσματα ήρθαν επίσης σε μια εποχή που το πεδίο φαινόταν έτοιμο για νέες ανακαλύψεις. Το Large Hadron Collider (LHC) ήταν τότε υπό κατασκευή στα σύνορα ανάμεσα στην Ελβετία και τη Γαλλία και οι θεωρητικοί πίστευαν ότι εκεί θα ανακάλυπταν δεκάδες νέα σωματίδια. Ωστόσο, εκτός από την ιστορική ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, το LHC δεν βρήκε άλλα στοιχειώδη σωματίδια.

Ωστόσο, το LHC δεν έχει αποκλείσει όλες τις πιθανές εξηγήσεις για την απόκλιση. Ο θεωρητικός φυσικός Ντόμινικ Στόκινγκερ στο Πανεπιστήμιο της Δρέσδης στη Γερμανία, εκτιμά ότι δεν υπάρχει μόνο ένας τύπος μποζονίου Higgs, αλλά τουλάχιστον δύο.

Μια νέα θεωρία

Στο πείραμα του Brookhaven, η τιμή για τη μαγνητική ροπή του μιονίου έπρεπε να συγκριθεί με θεωρητικές προβλέψεις οι οποίες περιείχαν σχετικά μεγάλες αβεβαιότητες. Όμως, ενώ η πειραματική μέτρηση του g – 2 δεν έχει αλλάξει εδώ και 15 χρόνια, η θεωρία έχει εξελιχθεί. Πέρυσι, μια μεγάλη συνεργασία υπό την προεδρία της Αϊντα Ελ-Καντρά, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόι, συγκέντρωσε αρκετές ομάδες ερευνητών – καθεμία από τις οποίες ειδικεύεται σε έναν τύπο εικονικού σωματιδίου – και δημοσίευσε μια «συναινετική» τιμή για τη βασική σταθερά. Ωστόσο, η απόκλιση μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών δεν μειώθηκε.

Την ίδια χρονιά, μια ομάδα που ονομάζεται «Συνεργασία Βουδαπέστης-Μασσαλίας-Βούπερταλ» έκανε μια προδημοσίευση στην οποία πρότεινε μια θεωρητική τιμή για τον παράγοντα g – 2 η οποία είναι πιο κοντά στην πειραματική. Η ομάδα επικεντρώθηκε σε μια ιδιαίτερα επίμονη πηγή αβεβαιότητας στη θεωρία αυτή, προερχόμενη από εικονικές εκδόσεις γλουόνων, τα σωματίδια που μεταδίδουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Εάν τα αποτελέσματά τους είναι σωστά, το χάσμα μεταξύ θεωρίας και πειράματος μπορεί να αποδειχθεί ανύπαρκτο.

Ο καθηγητής Μαρκ Λάνκαστερ του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, δήλωσε ότι «η νέα μέτρηση του g-2 αναμενόταν από καιρό και παρέχει ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξη νέων σωματιδίων και δυνάμεων. Ξέρουμε ότι ο σημερινός κατάλογος θεμελιωδών σωματιδίων και δυνάμεων δεν είναι ολοκληρωμένος, επειδή δεν αρκούν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη στο σύμπαν και το γεγονός ότι το σύμπαν έχει πολύ λίγη αντιύλη. Η νέα μέτρηση στο Fermilab έχει μια πιθανότητα στις 1.000 να είναι στατιστικό σφάλμα και μία στις 40.000, αν συνδυαστεί με την προηγούμενη μέτρηση στο Brookhaven».

Για να θεωρηθεί κάτι ανακάλυψη, η πιθανότητα σφάλματος πρέπει να μειωθεί στην μία πιθανότητα στα 3,5 εκατομμύρια (στατιστικό επίπεδο εμπιστοσύνης 5 σίγμα, έναντι 4,2 που υπάρχει έως τώρα). Ήδη οι φυσικοί αναλύουν περισσότερα δεδομένα, ώστε να βελτιώσουν την ακρίβεια των μετρήσεων για τη μυστηριώδη συμπεριφορά του μιονίου.

Μέχρι στιγμής έχουν βρεθεί 17 θεμελιώδη υποατομικά σωματίδια και τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής και ισχυρή πυρηνική δύναμη). Αν βρεθεί μια νέα δύναμη, θα είναι η πέμπτη. Όσον αφορά τα πιθανά, άγνωστα έως τώρα, υποατομικά σωματίδια που έχουν προταθεί ότι επιδρούν στο μιόνιο, είναι τα λεπτοκουάρκ και τα μποζόνια Ζ΄.

 

Πηγές: ert.gr, ΑΠΕ και εδώ

Επίσης τρία άρθρα για το πείραμα στο Brookhaven:  Το μιόνιο ίσως δείχνει την πρώτη σημαντική ρωγμή στο καθιερωμένο μοντέλο : 1ο μέρος  2ο μέρος   3ο μέρος

About the author

Δ.Μ.

Share