12°C

Mioni in standardni model: je na obzorju nova fizika?

PREDVIDEN ČAS BRANJA: 6 min
AVTOR
Natalija Švab /
KOMENTARJI
114
"Moja prva reakcija je bila - noro!" pravi Gordan Krnjaic, teoretični fizik pri Fermilabu, o eksperimentu, v katerem so merili anomalni magnetni moment mionov - in ugotovili, da rezultatov ni možno razložiti z uporabno standardnega modela. "To je skoraj najboljši možni scenarij za raziskovalce, kot smo mi ... Morda gre celo za novo fiziko in ima posledice za prihodnje poskuse in možne povezave s temno snovjo," še pravi znanstvenik.

Nova odkritja so razburkala svet fizike.
Nova odkritja so razburkala svet fizike.FOTO: AP

Muon g-2 je eksperiment, katerega namen je bil natančno izmeriti, kako magnetni so mioni. In to z opazovanjem njihovega gibanje v magnetnem polju, poroča scientificamerican.com. Če se eksperimentalna vrednost magnetnega momenta teh delcev razlikuje od teoretične napovedi, bi bilo lahko namreč to odstopanje znak nove fizike, na primer nekega subtilnega in neznanega delca ali sile, ki vpliva na mione. 

Na novo posodobljena eksperimentalna vrednost za mione, o kateri so zdaj poročali v Physical Review Letters, odstopa od teorije le z majhno vrednostjo (.00000000251) in ima statistični pomen 4,2 sigma oziroma verjetnost 1:40.000, da gre za naključje. 

To je sicer ponovno premalo, da bi lahko z gotovostjo zatrdili, da gre za prelomno odkritje, a kaže, da so potrebne dodatne raziskave. Odkritje bodo tako zdaj skušali preveriti še v drugih pospeševalnikih delcev, med drugim na Japonskem. 

Standardni model vsebuje  sedemnajst osnovnih delcev. Z odkritjem Higgsovega bozona je bil eksperimentalno potrjen obstoj vseh v modelu napovedanih delcev, še vedno pa ostaja odprtih kar nekaj vprašanj in fiziki se strinjajo, da standardni model ne pojasnjuje vsega, čeprav je odličen pripomoček za delo. Leta se zato posvečajo odkrivanju novih delcev in morebitnih interakcij med njimi.  

Mioni so sicer skoraj enaki elektronom. Oba delca imata enak električni naboj in druge kvantne lastnosti, na primer spin. Toda mioni so približno 200-krat težji od elektronov, zaradi česar imajo kratko življenjsko dobo in razpadajo v lažje delce. Posledično mioni ne morejo igrati osrednje vloge elektronov pri tvorjenju struktur.

Ko je nemški fizik Paul Kunze leta 1933 prvič opazil mion, sprva ni bil prepričan, kako naj si ga razloži. "Ni bil ne elektron ne proton, ampak nekaj, kar je poimenoval delček negotove narave,"  pravi Lee Roberts, fizik z bostonske univerze in sodelujoči pri eksperimentu Muon g-2. 

Novoodkriti delec je predstavljal zanimiv dodatek za sicer omejeno zasedbo subatomskih delcev, zaradi česar se je fizik Isidor Isaac Rabi vprašal: "Mion ... pa kaj je to?!"

Leta raziskovanja so nato Rabiju, ki mu je spanec kratila skrivnostnost miona, dala prav - še vedno kaže, da bi lahko skrival kakšno svojo znanstveno skrivnost. 

Leta 2001 je poskus E821 v Nacionalnem laboratoriju Brookhaven v New Yorku nakazal, da se magnetni moment mionov dejansko razlikuje od teorije. Takrat ugotovitev ni bila dovolj zanesljiva, ker je imela statistično pomembnost le 3,3 sigme. Rezultat je bil torej manjši od potrebnih pet sigm - ena na 3,5 milijona naključja - vendar dovolj, da je vzbudil zanimanje raziskovalcev za prihodnje poskuse.

Upali so, da bo dokončen odgovor morda dal tokratni poskus, a ga spet ni. Veseliti se nove fizike je tako (še) prezgodaj. 

"Menim, da pod soncem ni nič novega," pravi Tommaso Dorigo, eksperimentalni fizik z univerze v Padovi v Italiji, ki sicer tako kot Krnjaic ni sodeloval v novi študiji. "Mislim, da je še vedno verjetneje, da gre za teoretični napačni izračun .... Vsekakor pa je to najpomembnejša stvar, ki jo moramo zdaj preučiti."

Tudi v reviji Nature drugi raziskovalci dokazujejo, da je izmerjeni faktor g pravzaprav povsem v skladu z napovedmi standardnega modela. In četudi bi se revidiralo vrednost faktorja g za mion, to standardnega modela ne bi ovrglo.  

Center eksperimanta je sicer magnet. Žarek pozitivnih pionov - lahkih delcev, narejenih iz gornjega in spodnjega antivarka - razpada v mione in mionske nevtrine. Mioni se zberejo in usmerijo v urejeno krožno pot okoli magneta, ki jo bodo obkrožili največ nekaj tisočkrat, preden bodo razpadli v pozitrone. Z zaznavanjem smeri razpada mionov lahko fiziki pridobijo informacije o tem, kakšna je bila interakcija delcev z magnetom. 

Kako deluje ta postopek? Predstavljajte si vsak mion kot majhno analogno uro, priporoča scientificamerican.com. Ko delček kroži okoli magneta, njegov kazalec teče okoli in okoli s hitrostjo, kot jo napoveduje teorija. Ko se čas miona izteče, ta razpade v pozitron, ki se odda v smeri kazalca. Toda če se kazalec obrne s hitrostjo, ki je drugačna od teorije - recimo, prehitro - se razpad pozitrona kaže v nekoliko drugačno smer. Če zaznate dovolj odstopajočih pozitronov, imate anomalijo.

Raziskovalce zanima predvsem vpliv te morebitne anomalije, saj mogoče obstaja nekaj, česar standardni model ne upošteva in lahko gre za razliko med elektroni in mioni. 

Muon g-2 je začel zbirati podatke že leta 2017, vendar rezultati niso bili obdelani in interpretirani vse doslej, saj je bila obdelava podatkov mučna naloga. "Čeprav bi si ljudje morda želeli, da bi rezultat prišel hitreje, to odraža dolgo obdobje skrbnega preučevanja, da bi stvari razumeli," pravi Brendan Kiburg, fizik iz Fermilaba. 

Eksperiment sam po sebi namreč nima velike vrednosti, če podatki niso primerjani s teoretično napovedjo, kar je bilo delo približno 130 fizikov. Ko mion potuje skozi vesolje, namreč ta prostor v resnici ni prazen. Namesto tega je to kraj neskončnega števila virtualnih delcev, ki se lahko pojavijo in izstopijo. Mion ima nekaj majhnih možnosti za interakcijo s temi delci, ki ga vlečejo in vplivajo na njegovo vedenje. Izračun učinka navideznih delcev na spin miona - hitrost, s katero se obrača njegov "kazalec" - pa torej zahteva vrsto mučnih in neverjetno natančnih teoretičnih določitev.

Vse to pomeni, da ima teoretična napoved za mione svojo negotovost, ki jo teoretiki poskušajo razjasniti. Eden od načinov je prek mrežne kvantne kromodinamike (QCD), tehnike, ki se zanaša na veliko računsko moč za numerično reševanje učinkov virtualnih delcev na mione. 

Na tem področju se tako "zabava šele začenja".  Strokovnjaki bodo zdaj najprej skušali čim bolje razumeti rezultate. Medtem ko nekateri fiziki špekulirajo o tem, kaj natančno lahko pomeni mionska anomalija, pa se prizadevanja za zmanjšanje negotovosti in potrjevanje anomalije nad 5 sigma nadaljujejo.

Novi podatki Muon g-2 naj bi bili na razpolago v približno 18 mesecih. Nekoliko kasneje pričakujejo japonske rezultate. 

A tudi če vsa ta prizadevanja potrdijo, da zaradi mionov deluje nova fizika, pa ne bodo mogli razkriti, kaj točno je ta nova fizika. Potrebno orodje za razkritje njene narave je morda lahko nov trkalnik - nekaj, za kar se zavzemajo številni fiziki s predlogi, kot sta Mednarodni linearni trkalnik in LHC z visoko svetilnostjo. 

V zadnjih nekaj mesecih se je zanimanje za mionski trk povečalo, kar naj bi po številnih prispevkih fizikom zagotovilo sposobnost določanja lastnosti neznanega delca ali sile, ki vpliva na mion.

Na koncu tako tudi tisti, ki so še posebej skeptični glede pomena novega rezultata, vsemu skupaj dajejo določeno težo. "To je dobro za fiziko delcev," pravi Dorigo. "Saj je fizika delcev že nekaj časa mrtva."

Koronavirus pasica nova