Nowy eksperyment fizyczny może wskazywać na istnienie nieznanych sił i cząstek elementarnych
zdj. Reidar Hahn, Fermilab

Nowy eksperyment fizyczny może wskazywać na istnienie nieznanych sił i cząstek elementarnych

  • Data publikacji: 11.04.2021, 15:38

Badania właściwości cząstek zwanych mionami wykazały odstępstwo od przewidywań najlepszej obecnie teorii, tzw. Modelu Standardowego. Ten wynik może wskazywać, że oddziałują z nimi nieznane nauce cząstki elementarne.

 

Fizycy prowadzący eksperyment Muon g-2 w amerykańskim laboratorium Fermilab ogłosili pierwsze wyniki badań nad zachowaniem cząstek zwanych mionami. Miony to cząstki elementarne podobne do elektronów, ale ok. 200 razy masywniejsze i nietrwałe. Jedną z cech takich cząstek jest moment magnetyczny, charakteryzujący oddziaływanie mionu z zewnętrznym polem magnetycznym. O sile tego oddziaływania decyduje współczynnik g, klasycznie równy 2. Jednak do możliwie pełnego opisu rzeczywistości trzeba wprowadzić poprawki wynikające z mechaniki kwantowej, w której „pusta przestrzeń” nie jest idealnie pusta, co ma znaczenie dla wyników pomiarów. W bardzo małej skali przestrzennej fluktuacje energii mogą prowadzić do chwilowego powstawania i anihilacji par cząstka-antycząstka, które mogą oddziaływać z naszym mionem. Model Standardowy, najpełniejsza obecnie teoria fizyki cząstek elementarnych, przewiduje odstępstwo od wartości 2, zwane anomalnym momentem magnetycznym. Przeprowadzony w Fermilab eksperyment zmierzył tę wartość, okazała się ona jednak nieznacznie odbiegać od oczekiwanej.

 

Co ciekawe, 20 lat wcześniej inny eksperyment przeprowadzony w Brookhaven National Laboratory wykazał prawie identyczne odstępstwo. Uczeni z Fermilab przeanalizowali jak dotąd zaledwie 6% danych, jakie docelowo ma uzyskać eksperyment Muon g-2 i ich wynik nie jest wystarczająco pewny, aby ogłosić odkrycie – wciąż istnieje niewielka szansa, że odstępstwo jest wynikiem anomalii statystycznej. Jeżeli dalsze badania potwierdzą ten wynik z dostateczną precyzją, może to wskazywać, że z mionami oddziałują jakieś nieznane nauce cząstki.

 

Wynik jest szczególnie ważny ze względu na obecny problem w fizyce cząstek elementarnych. Model Standardowy jest teorią, która odniosła ogromny sukces w opisywaniu rzeczywistości w mikroskali, a odkrycie bozonu Higgsa w laboratorium CERN w 2012 roku uzupełniło jego ostatni brakujący element. Jak dotąd bardzo niewiele doświadczeń nie znalazło wyjaśnienia w jego ramach. Wiadomo jednak, że nie może on być kompletną teorią oddziaływań elementarnych; przede wszystkim nie opisuje grawitacji. Nie wyjaśnia też oscylacji (zmian typu) trudno wykrywalnych cząstek zwanych neutrinami. Brakuje w nim też nieodkrytych cząstek, mogących wyjaśniać zagadkę ciemnej materii, której obecność ukazują obserwacje astrofizyczne.

 

Nawet potwierdzenie wyniku eksperymentu Muon g-2 nie musi jeszcze oznaczać, że Model Standardowy powiedział ostatnie słowo. Prawie równocześnie opublikowane zostały wyniki obliczeń komputerowych anomalnego momentu magnetycznego mionu. Sugerują one, że wkład pewnych oddziaływań został niedoszacowany i odstępstwo wyników eksperymentów od teorii może być w rzeczywistości mniejsze. Czy badania nad mionami naprowadzą wreszcie uczonych na trop „nowej fizyki”? Czas pokaże.

Źródła: Fermilab, Narodowe Centrum Badań Jądrowych