Τα μιόνια συνεχίζουν να προκαλούν το Καθιερωμένο Μοντέλο

Από την ιστοσελίδα του PhysicsWeb, 8 Ιανουαρίου 2004

Μια διεθνής ομάδα φυσικών ανέφερε τη σημαντικότερη απόκλιση που έχει βρεθεί μέχρι σήμερα, μεταξύ του πειράματος και της θεωρίας στη σωματιδιακή φυσική. Οι μετρήσεις που έχουν γίνει για το πώς τα μιόνια ταλαντεύονται μέσα ένα μαγνητικό πεδίο, προσφέρουν ένα σαφέστατο υπαινιγμό για την ύπαρξη μιας νέας φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Τα συμπεράσματα αναγγέλθηκαν από την ομάδα συνεργασίας για το μιόνιο g-2 στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στις ΗΠΑ.

Η ανωμαλία του spin των μιονίων αφορά το ρυθμό με τον οποίο το spin του μιονίου αλλάζει κατεύθυνση σε σύγκριση με τον ρυθμό με τον οποίο το μιόνιο περιστρέφεται.

Το πείραμα του μιονίου g-2  μετρά το "παράγοντα-g", που συσχετίζει το σπιν του μιονίου - ένα σωματίδιο που είναι 208 φορές βαρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο - με τη μαγνητική ροπή του. Οι απλές κβαντικές θεωρίες προβλέπουν ότι σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια έχουν g=2.

Εντούτοις, γίνονται διάφορες "διορθώσεις της ακτινοβολίας" στην τιμή αυτή, οι οποίες οφείλονται στη συνεχή εκπομπή και την επαναπορρόφηση των βραχύβιων virtual σωματιδίων, δείχνοντας ότι το g δεν είναι ακριβώς ίσο με 2.

Όταν συμπεριληφθούν στους υπολογισμούς αυτές οι διορθώσεις, τότε ο παράγοντας-g για το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο αυξάνει ελαφρά σε περίπου 2.0023.

Οι φυσικοί αναφέρονται και στον ανώμαλο παράγοντα-g: a - που ορίζεται σαν a = (g - 2)/2.

Οι προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου για τον ανώμαλο παράγοντα-g του ηλεκτρονίου συμφωνούν με το πείραμα έως και το ένατο δεκαδικό ψηφίο, που είναι η καλύτερη συμφωνία μέχρι τώρα ανάμεσα στη θεωρία και στο πείραμα.

Το γεγονός ότι το μιόνιο είναι κάπου 208 φορές βαρύτερο του ηλεκτρονίου κάνει πιο δύσκολο τον υπολογισμό του παράγοντα-g, επειδή πρέπει να υπολογιστούν περισσότερες διορθώσεις λόγω ακτινοβολίας, ενώ από την άλλη τα πειράματα είναι πιο δύσκολα γιατί το μιόνιο είναι ασταθές και διασπάται αμέσως σχεδόν (ο χρόνος ημιζωής του είναι περίπου 2 μs.

Αυτές οι διορθώσεις της ακτινοβολίας μπορούν να προκληθούν ή από σωματίδια που περιλαμβάνονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο, ή από πιο εξωτικά σωματίδια και δεν είναι συμπεριλαμβανόμενα στο μοντέλο αυτό.

Επομένως η εξέταση των διαφορών μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων και των θεωρητικών προβλέψεων είναι ένας καλός τρόπος για να ψάξουμε για μια νέα φυσική πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο.

Μια τέτοια υποψήφια θεωρία για τη νέα φυσική είναι η υπερσυμμετρία - μια θεωρία που προβλέπει ότι όλα τα σωματίδια στο Καθιερωμένο Μοντέλο έχουν τα αποκαλούμενα υπερσυνεργάτες (superpartners).

Το πείραμα του Brookhaven έχει παρατηρήσει ήδη τέτοιες διαφορές για τη τιμή g-2 των θετικών μιονίων, που έχουν επιβεβαιωθεί από τις πρώτες μετρήσεις για τα αρνητικά μιόνια. Η πιο πρόσφατη μέτρηση, που ταιριάζει με τη συνδυασμένη ακρίβεια των προηγούμενων αποτελεσμάτων, διαφέρει από τη θεωρία με μια τυπική απόκλιση 2,9. Εάν και τα τρία αποτελέσματα συνδυαστούν, η διαφορά μεταξύ της θεωρίας και του πειράματος έχει μια τυπική απόκλιση 2,8.

"Το γεγονός ότι η μέτρησή μας συνεχίζει να παρεκκλίνει από τη θεωρία μπορεί να είναι μια ένδειξη ότι βλέπουμε μια νέα φυσική πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο", λέει ο Lee Roberts του Πανεπιστημίου της Βοστώνης, εκπρόσωπος του πειράματος. "Το πείραμά μας είναι τώρα 14 φορές ακριβέστερο από το πρώτο πείραμα μιονίου g-2 που έγινε στο CERN στη δεκαετία του '70 - και αυτή η ακρίβεια θέτει σημαντικούς περιορισμούς στις πιθανές νέες θεωρίες".

"Το πρόσφατο αποτέλεσμα του πειράματος g-2 ενισχύει την νέα υποψήφια φυσική με την υπερσυμμετρία, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι είναι οριστικό", λέει ο William Marciano, ένας θεωρητικός στο Brookhaven. "Είναι επιτακτική αφ' ενός η διερεύνηση της θεωρίας και αφ' ετέρου νέα πειράματα".

Η ομάδα του μιονίου g-2 περιλαμβάνει φυσικούς από τις ΗΠΑ, τη Ρωσία, την Ιαπωνία, τις Κάτω Χώρες και τη Γερμανία και δημοσίευσε τα αποτελέσματά της στο περιοδικό Physical Review Letters.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο

Παρ' όλες 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 υπ' όψιν 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 θεωρία αυτή λύνει πολλά από τα προβλήματα αυτά, με την προϋπόθεση της ύπαρξης νέων σωματιδίων, που αποκαλούνται υπερσυμμετρικοί συνεργάτες (partners), και αντιστοιχούν ένα υπερσυμμετρικό σωματίδιο για κάθε ένα από τα γνωστά σωματίδια.

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

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

Οι υπερσυνεργάτες (superpartners) των γνωστών σωματιδίων προβλέπονται να είναι σχετικά μεγάλης μάζας και να αλληλεπιδρούν ασθενώς με την συνηθισμένη ύλη, πράγμα που καθιστά δύσκολη την παραγωγή και την ανίχνευσή τους.