Μετά από δύο δεκαετίες κι έναν μακρύ αγώνα για χρηματοδότηση, οι επιστήμονες αναμένεται να αποκαλύψουν τα αποτελέσματα του πειράματος με το μιόνιο – ένα σωματίδιο παρόμοιο με το ηλεκτρόνιο αλλά βαρύτερο και ασταθές. Οι φυσικοί ελπίζουν ότι η τελευταία μέτρηση του μαγνητισμού του σωματιδίου, τα αποτελέσματα της οποίας θα δημοσιευθούν στις 7 Απριλίου, θα υποστηρίξει προηγούμενα ευρήματα, κάτι που θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανακάλυψη νέων σωματιδίων.
Η πρώτη φάση του πειράματος Muon g – 2 που σήμερα στεγάζεται στο Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) στο Ιλινόι των ΗΠΑ, ξεκίνησε το 1997 στο Brookhaven National Laboratory στο Long Island της Νέας Υόρκης και διήρκησε έως το 2001.
Τα αρχικά αποτελέσματα, που ανακοινώθηκαν το 2001 και στη συνέχεια οριστικοποιήθηκαν το 2006, έδειξαν ότι η μαγνητική ροπή του μιονίου, είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από αυτή που είχε προβλεφθεί. Αυτό προκάλεσε μια αναστάτωση και αντιπαράθεση μεταξύ των επιστημόνων. Εάν αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιωθούν τελικά, θα μπορούσαν να αποκαλύψουν την ύπαρξη νέων σωματιδίων και να ανατρέψουν τις θεμελιώδεις ιδέες της Φυσικής.
Μαγνητικές μετρήσεις
Το πείραμα Muon g – 2 μετρά τη μαγνητική ροπή του μιονίου μετακινώντας τα σωματίδια σε κύκλο διαμέτρου 15 μέτρων. Ένας ισχυρός μαγνήτης κρατά τα μιόνια στην κυκλική τους τροχιά και ταυτόχρονα κάνει τον μαγνητικό άξονα Βορρά-Νότου να περιστρέφεται. Όσο ισχυρότερη είναι η μαγνητική ροπή των σωματιδίων, τόσο πιο γρήγορα περιστρέφεται ο άξονας. «Αυτό που μετράμε είναι ο ρυθμός με τον οποίο το μιόνιο περιστρέφεται στο μαγνητικό πεδίο», εξηγεί στο Nature ο Λι Ρόμπερτς, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης στη Μασαχουσέτη, ο οποίος εργάζεται στο έργο αυτό από το 1989.
Η απόκλιση από τις θεωρητικές εκτιμήσεις του αρχικού πειράματος ήταν ελάχιστη, αλλά αρκετά μεγάλη ώστε να προκαλέσει προβληματισμό στους επιστήμονες. Σύμφωνα με την κβαντική φυσική, στοιχειώδη σωματίδια όπως το μιόνιο και το ηλεκτρόνιο, έχουν μαγνητική ροπή ισοδύναμη με 2. Ωστόσο, ένας πιο ακριβής υπολογισμός αποκαλύπτει μια απόκλιση από αυτήν την τέλεια τιμή, η οποία προκαλείται από το γεγονός ότι ένας κενός χώρος δεν είναι ποτέ πραγματικά άδειος.
Ο χώρος γύρω από ένα μιόνιο είναι γεμάτος με όλα τα είδη «εικονικών σωματιδίων», εφήμερες εκδόσεις δηλαδή, πραγματικών σωματιδίων που εμφανίζονται και εξαφανίζονται συνεχώς αλλάζοντας το μαγνητικό πεδίο του μιονίου.
Όσο περισσότεροι τύποι σωματιδίων υπάρχουν, τόσο οι εικονικές εκδόσεις τους επηρεάζουν τη μαγνητική ροπή. Αυτό σημαίνει ότι μια μέτρηση υψηλής ακρίβειας θα μπορούσε να αποκαλύψει έμμεσες ενδείξεις για την ύπαρξη άγνωστων σωματιδίων.
Η προκύπτουσα μαγνητική ροπή διαφέρει μόνο λίγο από το 2 και αυτή η μικρή απόκλιση εκφράζεται ως g – 2. Στο Brookhaven, οι φυσικοί διαπίστωσαν ότι η τιμή του παράγοντα g – 2 ήταν 0,0023318319. Εκείνη την εποχή, αυτή η τιμή ήταν ελαφρώς μεγαλύτερη από τις εκτιμήσεις των θεωρητικών. Η ακρίβεια της μέτρησης δεν ήταν αρκετά υψηλή για να σιγουρευτούν οι επιστήμονες ότι η απόκλιση ήταν πραγματική, αλλά ήταν αρκετά μεγάλη για να προκαλέσει ενθουσιασμό στην επιστημονική κοινότητα.
Τα αποτελέσματα ήρθαν επίσης σε μια εποχή που το πεδίο φαινόταν έτοιμο για νέες ανακαλύψεις. Το Large Hadron Collider (LHC) ήταν υπό κατασκευή στα σύνορα ανάμεσα στην Ελβετία και τη Γαλλία και οι θεωρητικοί πίστευαν ότι εκεί θα ανακάλυπταν δεκάδες νέα σωματίδια. Ωστόσο, εκτός από την ιστορική ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, το LHC δεν βρήκε άλλα στοιχειώδη σωματίδια.
Ωστόσο, το LHC δεν έχει αποκλείσει όλες τις πιθανές εξηγήσεις για την απόκλιση. Ο θεωρητικός φυσικός Ντόμινικ Στόκινγκερ στο Πανεπιστήμιο της Δρέσδης στη Γερμανία, εκτιμά ότι δεν υπάρχει μόνο ένας τύπος μποζονίου Higgs, αλλά τουλάχιστον δύο.
Μια νέα θεωρία
Στο πείραμα του Brookhaven, η τιμή για τη μαγνητική ροπή του μιονίου έπρεπε να συγκριθεί με θεωρητικές προβλέψεις οι οποίες περιείχαν σχετικά μεγάλες αβεβαιότητες. Όμως, ενώ η πειραματική μέτρηση του g – 2 δεν έχει αλλάξει εδώ και 15 χρόνια, η θεωρία έχει εξελιχθεί. Πέρυσι, μια μεγάλη συνεργασία υπό την προεδρία της Αϊντα Ελ-Καντρά, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόι, συγκέντρωσε αρκετές ομάδες ερευνητών – καθεμία από τις οποίες ειδικεύεται σε έναν τύπο εικονικού σωματιδίου – και δημοσίευσε μια «συναινετική» τιμή για τη βασική σταθερά. Ωστόσο, η απόκλιση μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών δεν μειώθηκε.
Την ίδια χρονιά, μια ομάδα που ονομάζεται «Συνεργασία Βουδαπέστης-Μασσαλίας-Βούπερταλ» έκανε μια προδημοσίευση στην οποία πρότεινε μια θεωρητική τιμή για τον παράγοντα g – 2 η οποία είναι πιο κοντά στην πειραματική. Η ομάδα επικεντρώθηκε σε μια ιδιαίτερα επίμονη πηγή αβεβαιότητας στη θεωρία αυτή, προερχόμενη από εικονικές εκδόσεις γλουόνων, τα σωματίδια που μεταδίδουν την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Εάν τα αποτελέσματά τους είναι σωστά, το χάσμα μεταξύ θεωρίας και πειράματος μπορεί να αποδειχθεί ανύπαρκτο.
Τα αποτελέσματα που θα παρουσιαστούν στις 7 Απριλίου ενδέχεται να μην επιλύσουν ακόμη το ζήτημα. Χάρη στις αναβαθμίσεις της συσκευής, η ομάδα αναμένει να βελτιώσει την ακρίβεια του g – 2 σε σύγκριση με το πείραμα Brookhaven. Ωστόσο, μέχρι στιγμής έχει αναλύσει μόνο τα δεδομένα που συλλέχθηκαν το 2017 και το περιθώριο σφάλματος δεν μπορεί να είναι μικρότερο από αυτό του Brookhaven.
Εάν το Fermilab επιβεβαιώσει τελικά τα αποτελέσματα του Brookhaven, η επιστημονική κοινότητα πιθανότατα θα απαιτήσει μια περαιτέρω, ανεξάρτητη επιβεβαίωση. Αυτό θα μπορούσε να προέλθει από μια πειραματική τεχνική που αναπτύχθηκε στο Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) στην Ιαπωνία, το οποίο θα μετρήσει τη μαγνητική ροπή του μιονίου με έναν ριζικά διαφορετικό τρόπο.
ΠΗΓΗ: Nature
www.ertnews.gr
Εύη Τσιριγωτάκη