Πείραμα Muon G-2: Νέα σωματίδια και άγνωστες φυσικές δυνάμεις στο προσκήνιο

Η παράξενη συμπεριφορά του μιονίου, ενός θεμελιώδους υποατομικού σωματιδίου, πιθανώς παραπέμπει στην ύπαρξη άγνωστων έως τώρα “εξωτικών” σωματιδίων και δυνάμεων πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο της Φυσικής. Οι προηγούμενες απλές ενδείξεις για κάτι τέτοιο έγιναν πλέον πολύ ισχυρές μετά από νέες μετρήσεις των επιστημόνων στις ΗΠΑ, οι οποίες αύξησαν κατακόρυφα την πιθανότητα για νέες ανακαλύψεις, αν και ακόμη τίποτε δεν πρέπει να θεωρείται βέβαιο.

Είχαν προηγηθεί στο τέλος Μαρτίου ανάλογες ενδείξεις από πείραμα στο CERN της Ευρώπης. Αν υπάρξει επιβεβαίωση στο μέλλον, θα πρόκειται για τη σημαντικότερη ανακάλυψη μετά το σωματίδιο του Χιγκς, φέρνοντας στο φως νέα θεμελιώδη δεδομένα στη φύση.

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.

Όμως ήδη από το 2001 εμφανίστηκαν στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven της Νέας Υόρκης πειραματικά ευρήματα που απέκλιναν από τις θεωρητικές προβλέψεις, καθώς τα μιόνια -που ανακαλύφθηκαν το 1936 και είναι σαν τα ηλεκτρόνια αλλά 207 φορές βαρύτερα και πιο ασταθή- φαίνονται να είναι πιο μαγνητικά και να περιστρέφονται ελαφρώς ταχύτερα του αναμενόμενου, μην υπακούοντας στους γνωστούς φυσικούς νόμους.

Τώρα οι νέες μετρήσεις από το πείραμα Muon g-2 στο Εθνικό Εργαστήριο του Επιταχυντή Fermilab του Ιλινόις, όπου συμμετέχουν επιστήμονες από επτά χώρες, οι οποίες παρουσιάστηκαν σε δύο επιστημονικές δημοσιεύσεις στο περιοδικό φυσικής “Physical Review Letters”, με τη συμμετοχή άνω των 200 επιστημόνων, επιβεβαιώνουν ότι κάτι απρόσμενο συμβαίνει με τα μιόνια, κάτι που πιθανώς “μαρτυράει” την ύπαρξη άγνωστων σωματιδίων και φυσικών δυνάμεων, σύμφωνα με το “Science”, το “Nature”, το “New Scientist”, το BBC και τους New York Times.

Η ανωμαλία στις μετρήσεις πιθανώς πηγάζει από ένα φαινόμενο της κβαντομηχανικής, τα εικονικά σωματίδια, ζεύγη από ένα σωματίδιο ύλης και ένα αντιύλης, τα οποία φευγαλέα αναδύονται και σχεδόν αμέσως εξαφανίζονται. Για το πολύ σύντομο διάστημα που υπάρχουν, μπορεί να επηρεάζουν τη συμπεριφορά πραγματικών σωματιδίων όπως τα μιόνια. Αυτά τα ζεύγη εικονικών σωματιδίων μπορεί να αποτελούνται από ήδη γνωστά σωματίδια, όπως ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο, αλλά μπορεί επίσης να αποτελούνται από κάτι πιο εξωτικό και άγνωστο έως τώρα.

Τα νέα πειράματα του Fermilab έρχονται μετά την πρόσφατη ανακοίνωση φυσικών του πειράματος LHCb του CERN στην Ευρώπη ότι επίσης βρήκαν κάτι παράξενο να συμβαίνει με τον τρόπο διάσπασης των μιονίων. Πιθανώς τα δύο ευρήματα σχετίζονται, χωρίς ακόμη να είναι σίγουρο, καθώς δεν υπάρχουν αρκετά δεδομένα που να αποδεικνύουν την ύπαρξη νέων σωματιδίων ή φυσικών δυνάμεων.

“Από τη δεκαετία του 1970 ψάχνουμε για μια ρωγμή στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Και τώρα ίσως τη βρήκαμε”, δήλωσε ο Αλεξέι Πέτροφ του Πανεπιστημίου Wayne State των ΗΠΑ.

Ο καθηγητής Μαρκ Τόμσον, επικεφαλής του Συμβουλίου Επιστήμης και Τεχνολογίας της Βρετανίας δήλωσε ότι “γνωρίζουμε πως η τωρινή κατανόησή μας για το σύμπαν είναι ελλιπής. Αυτό που βλέπουμε τώρα από τα νέα πειράματα, όπως το g-2, μπορεί να είναι οι πρώτες ματιές πίσω από την κουρτίνα σε ένα νέο κόσμο φυσικής”.

Ο φυσικός Γκρατσιάνο Βεναντσόνι του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας και ένας από τους εκπρόσωπους του πειράματος g-2 έκανε ήδη λόγο για “μια ιδιαίτερη μέρα, από καιρό αναμενόμενη όχι μόνο από εμάς αλλά από όλη τη διεθνή κοινότητα των φυσικών”.

Ο καθηγητής του Κέιμπριτζ Μπεν Άλαναχ δήλωσε ότι “σε όλη την καριέρα μου αναζητώ δυνάμεις και σωματίδια πέρα από αυτά που ήδη ξέρουμε και αυτή είναι η στιγμή που περίμενα, γι’ αυτό δεν μπορώ να κοιμηθώ πολύ από την έξαψή μου”.

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’.

Πηγή: ΑΠΕ-ΜΠΕ