Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής είναι σαν το άναρχα δομημένο κάστρο Gormenghast – μιας γνωστής νουβέλας -, όπου κατασκευάστηκε κτίζοντας συνεχώς καινούργια δωμάτια ανάλογα με τις προκύπτουσες ανάγκες, που δεν στηρίχτηκε δηλαδή εξαρχής σε ένα καθορισμένο σχέδιο. Το μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής κτίστηκε για να στεγάσει μια εξήγηση σε επίπεδο σωματιδίων για ολόκληρο το σύμπαν, και αυτό το πετυχαίνει σε πολλά σημεία.
Μερικοί φυσικοί ψάχνουν τώρα να αναστρέψουν τα παραρτήματα του για να βολέψουν το μποζόνιο Higgs, την σκοτεινή ύλη και το γκραβιτόνιο (βαρυτόνιο), αν βεβαίως αυτά μπορούν να βρεθούν. Άλλοι σκέφτονται ότι η δομή πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά, και έχουν δουλέψει πάνω σε νέα σχέδια για να “μεγαλώσουν το κάστρο” βασισμένοι σε ιδέες, όπως είναι η θεωρία των χορδών. Το πρόβλημα είναι, ότι είναι σχεδόν αδύνατο να πούμε εάν αυτά τα σχέδια είναι ρεαλιστικά, ή είναι απλά φανταστικές κατασκευές μέσα σε σύννεφα.
Ακόμη και εκείνοι που δεν θέλουν να ρίξουν το “κάστρο” δεν θα τους πείραζε να δοκιμάσουν την αντοχή του καθιερωμένου μοντέλου, χρησιμοποιώντας κάποιο μεγάλο πυροβολικό. Αυτός είναι ο κύριος λόγος για την κατασκευή του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), η μεγαλύτερη μηχανή που έχει κτιστεί ποτέ για πειράματα σωματιδίων κοντά στη Γενεύη.
Θα ανοίξει το μιόνιο ρωγμή στο προπύργιο της σωματιδιακής φυσικής;
Αποτελέσματα που βγήκαν μέσα από βασανιστικά πειράματα δείχνουν ότι έχει τους αριθμούς με την πλευρά της
Ωστόσο, αρκετές μικρότερες ομάδες χρησιμοποιούν με επιτυχία μια πιο ήπια προσέγγιση, κτυπώντας τα αδύναμα σημεία του κάστρου του καθιερωμένου μοντέλου. Μεταξύ αυτών, ένα πείραμα με μιόνια, ξεχωρίζει γιατί λέγεται ό,τι μπορεί να είναι η πρώτη μεγάλη ρωγμή στο οικοδόμημα του καθιερωμένου μοντέλου.
Εδώ και χρόνια η επιστημονική συνεργασία E821, που βασίζεται στο Εργαστήριο Brookhaven, μελετάει τα μιόνια. Αυτά τα σωματίδια είναι ασταθή παρόμοια με τα ηλεκτρόνια, αλλά κάπου 200 φορές πιο βαριά. Η έρευνα εστιάστηκε σε μια κβαντική ιδιότητα, την μαγνητική ροπή των μιονίων και βρήκε ότι το καθιερωμένο μοντέλο είναι ελλιπές. Σύμφωνα με τις μετρήσεις, υπάρχει μία 0,27 τοις εκατό πιθανότητα το καθιερωμένο μοντέλο να είναι σωστό.
Οι πιθανότητες ώστε η ομάδα E821 να έχει ανακαλύψει μια ρωγμή στο πεδίο της φυσικής, όπως την γνωρίζουμε, είναι αρκετές αλλά χρειαζόμαστε πιο ακριβείς μετρήσεις για να είμαστε σίγουροι. Μια νέα επιστημονική έρευνα που ονομάζεται P989 σχεδιάζει ένα πείραμα που έχει ως στόχο να φτάσει το είδος της ακρίβειας που απαιτείται. Κι όχι μόνο αυτό, αυτοί ελπίζουν να μετρήσουν τη μαγνητική ροπή που θα μας αποκαλύψει νέα φαινόμενα που υπερβαίνουν τις δυνατότητες ακόμη και του ισχυρού επιταχυντή LHC.
Η ιστορία της μαγνητικής ροπής του μιονίου χρονολογείται από το 1928, όταν ο Βρετανός φυσικός Paul Dirac επινόησε εξισώσεις που περιγράφουν τον τρόπο που συμπεριφέρονται τα κβαντικά σωματίδια κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Τα μιόνια και τα ελαφρύτερα ξαδέλφια τους, τα ηλεκτρόνια, μπορούν να θεωρηθούν σαν στρεφόμενες φορτισμένες μπάλες, οι οποίες δημιουργούν ένα μικροσκοπικό μαγνητικό πεδίο – τη μαγνητική ροπή.
Ο Dirac υπολογίζεται ότι μια σχετική ποσότητα που ονομάζεται παράγοντας-g πρέπει να είναι ακριβώς 2 για τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια. Όταν οι ερευνητές μέτρησαν τελικά τη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου, σχεδόν 20 χρόνια αργότερα, διαπίστωσαν ότι ήταν ελαφρώς υψηλότερη από 2. Το 1948, αυτοί πηγαίνοντας να θέσουν τα θεμέλια του καθιερωμένου μοντέλου συνειδητοποίησαν ότι ο λόγος για την «ανώμαλη» μαγνητική ροπή βρίσκεται στα φευγαλέα αποτελέσματα των εικονικών (virtual) σωματιδίων, οντότητες που εμφανίζονται μόνο για να εξαφανιστούν και πάλι για μια στιγμή.
Ο παράγοντας g
Στην πραγματικότητα, η μαγνητική ροπή είναι τόσο ευαίσθητη που επηρεάζεται από την παρουσία σωματιδίων άγνωστα στις μέρες του Dirac, συμπεριλαμβανομένων των κουάρκ, των μποζονίων W και Z καθώς και από το μποζόνιο Higgs. Πράγματι, η κβαντική μηχανική μας λέει ότι οι εικονικές εκδόσεις των κάθε είδους σωματιδίων – συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη – μπορούν να αναδυθούν στον πραγματικό μας κόσμο, δανειζόμενα κάποια απειροελάχιστη ενέργεια για μια στιγμή (αρχή της απροσδιοριστίας). Το φαινόμενο αυτό μας δίνει κάποιες πιθανότητες, ακόμα και για σωματίδια που είναι πολύ βαριά και δύσκολο να τα φτιάξουμε στο εργαστήριο – ακόμη και στον πιο ισχυρό επιταχυντή όσο είναι ο LHC – να μπορούμε να τα ανιχνεύσουμε. "Βασικά, κάτι το οποίο δεν είναι αυστηρά απαγορευμένο επιτρέπεται,” λέει ο David Kawall στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Amherst, επαναλαμβάνοντας μια φράση του συγγραφέα επιστημονικής φαντασίας T. H. White The Once and Future King,
Το μιόνιο επηρεάζεται πολύ περισσότερο από το ηλεκτρόνιο, λόγω της μεγαλύτερης μάζας του. Κι αυτό επειδή έχει περισσότερη ενέργεια διαθέσιμη να δανειστούν τα εικονικά σωματίδια. Η μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου είναι ένα από τα πιο επαληθευμένα μεγέθη που προβλέπει το καθιερωμένο μοντέλο. Δεν ισχύει όμως το ίδιο για τα μιόνια. Τα πρώτα σημάδια ότι όλα δεν ήταν και τόσο καλά, ήρθαν λίγο μετά το πείραμα E281 στο μέσα του 1990.
Μόλις αυτά τα σημάδια εμφανίστηκαν, τα μιόνια διασπώνται σχεδόν 200.000 φορές πιο γρήγορα από ό,τι μπορείτε να ανοιγοκλείσετε το μάτι σας, γι αυτό και απαιτείται ένα ειδικό τέχνασμα προκειμένου να μετρηθεί η μαγνητική ροπή τους. Εδώ προσφέρεται ευγενικά η σχετικότητα. Ο χρόνος επιβραδύνεται για τα μιόνια αν τα επιταχύνουμε κοντά στην ταχύτητα του φωτός, εξασφαλίζοντας έτσι ότι αυτά μένουν ‘άθικτα’ για αρκετό χρόνο ώστε να τα μελετήσουμε.
Για να φτιάξει μιόνια, η ομάδα E821 έβαλε μια δέσμη πρωτονίων να συγκρουστεί με μια σειρά από δίσκους νικελίου, δημιουργώντας έτσι ένα ντους από άλλα σωματίδια. Ορισμένα από αυτά (πιόνια) διασπάστηκαν σε μιόνια, τα οποία αποθηκεύονται γρήγορα με την διοχέτευση τους σε ένα επιταχυντή σχήματος ντόνατ, όπου χρησιμοποιούνται ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες για να κινούνται σωστά γύρω από το δακτύλιο. (κλικ για μεγέθυνση της εικόνας)
Ένα μιόνιο που περιστρέφεται συμπεριφέρεται σαν ένας μικρός μαγνήτης. Ακριβώς όπως δύο μαγνήτες σε μικρή απόσταση ασκούν δυνάμεις ο ένας στον άλλο, έτσι και το μαγνητικό πεδίο του μιονίου αλληλεπιδρά με το πεδίο του ηλεκτρομαγνήτη στον επιταχυντή. Αυτό αναγκάζει τον άξονα του σπιν των μιονίων να στρέφεται κατά μία γωνία που εξαρτάται από τη μαγνητική ροπή του. Αν ο παράγοντας g του μιονίου ήταν ακριβώς 2, τότε ο άξονας περιστροφής του θα ήταν πάντα προς την ίδια κατεύθυνση με την πορεία του. Αλλά τα εικονικά σωματίδια που αναδύονται και εξαφανίζονται αυτοστιγμής γύρω από τα μιόνια, αναγκάζουν τον παράγοντα g να είναι ελαφρώς μεγαλύτερος κι όχι 2. Έτσι, αναγκάζεται ο άξονας περιστροφής του μιονίου να γλιστράει, καθώς περιστρέφεται γύρω από το δακτύλιο.
** Το μιόνιο έχει μάζα ηρεμίας 105.658 MeV ή 206.786 φορές μεγαλύτερη αυτής του ηλεκτρονίου (0.511 MeV). Επίσης, έχει μέση διάρκεια ζωής 2.2 · 10-6 s.
Τέλος του 1ου μέρους (συνεχίζεται…)
Πηγή: New Scientist
Δείτε και τα σχετικά άρθρα
- Τα μιόνια συνεχίζουν να προκαλούν το Καθιερωμένο Μοντέλο
- Ρωγμή στην θεωρία της Φυσικής εξ’αιτίας του μιονίου. Αναδύεται η υπερσυμμετρία;
- Μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου και ο γυρομαγνητικός λόγος g του Lande
Leave a Comment