Οι επιστήμονες πλησιάζουν στον πιθανό εντοπισμό μιας νέας δύναμης της φύσης μετά την παρατήρηση της ιδιόμορφης ταλάντωσης ενός υποατομικού σωματιδίου.
Οι ειδικοί έστειλαν μικροσκοπικά μιόνια, τα οποία μοιάζουν με τα ηλεκτρόνια, μέσα από έναν δακτύλιο διαμέτρου 15.24 μέτρων στο Fermilab του αμερικανικού Υπουργείου Ενέργειας στην Μπατάβια του Ιλινόις.
Οι μετρήσεις της μαγνητικής ταλάντωσης του μιονίου δεν μπορούν να εξηγηθούν από το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής – ενδεχομένως υποδηλώνοντας κάποιο άγνωστο σωματίδιο ή δύναμη.
Επειδή τα μιόνια σχηματίζονται φυσικά όταν οι κοσμικές ακτίνες προσκρούουν στην ατμόσφαιρα της Γης, τα αποτελέσματα αυτά θα μπορούσαν να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο πιστεύουμε ότι λειτουργεί το σύμπαν.
Τα ευρήματα υποστηρίζουν προηγούμενα ευρήματα από το 2021, αλλά περιλαμβάνουν υπερτετραπλάσιο όγκο δεδομένων που αναλύθηκαν, ενισχύοντας τον ισχυρισμό για «νέα φυσική». Οι επιστήμονες από το Fermilab περιέγραψαν λεπτομερώς το έργο τους σε μια ερευνητική εργασία που υποβλήθηκε την Πέμπτη 10/8 στο περιοδικό Physical Review Letters.
«Ψάχνουμε για μια ένδειξη ότι το μιόνιο αλληλεπιδρά με κάτι που δεν γνωρίζουμε», δήλωσε ο συγγραφέας της μελέτης Brendan Casey, ανώτερος επιστήμονας στο Fermilab.
«Θα μπορούσε να είναι οτιδήποτε – νέα σωματίδια, νέες δυνάμεις, νέες διαστάσεις, νέα χαρακτηριστικά του χωροχρόνου, οτιδήποτε».
Ο Casey θεωρεί ότι τα αποτελέσματα υποδηλώνουν μια «νέα ιδιότητα του χωροχρόνου» ή μια παραβίαση της αναλλοίωτης κατάστασης Lorentz, μιας αρχής που δηλώνει ότι οι νόμοι της φυσικής είναι ίδιοι παντού.
«Αυτό θα ήταν τρελό και επαναστατικό», είπε.
Για αιώνες, οι επιστήμονες προσπαθούσαν να καταλάβουν τι συμβαίνει στο «υποατομικό»επίπεδο, που περιλαμβάνει σωματίδια μικρότερα από τα άτομα.
Τα άτομα, οι βασικές μονάδες της ύλης που μπορούμε να δούμε και να αγγίξουμε, συνδυάζονται για να σχηματίσουν μόρια (τα οποία με τη σειρά τους σχηματίζουν στερεά, αέρια και υγρά).
Οι φυσικοί περιγράφουν πώς λειτουργεί το σύμπαν σε αυτό το θεμελιώδες υποατομικό επίπεδο με μια θεωρία γνωστή ως Καθιερωμένο Πρότυπο, που αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1970.
Αυτό υποδηλώνει ότι τα πάντα στο σύμπαν είναι φτιαγμένα από μερικά βασικά δομικά στοιχεία που ονομάζονται θεμελιώδη σωματίδια, τα οποία διέπονται από τέσσερις δυνάμεις – την ισχυρή δύναμη, την ασθενή δύναμη, την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και τη βαρυτική δύναμη.
Κατά τη διάρκεια του 20ού αιώνα, καθιερώθηκε ως μια καλά δοκιμασμένη θεωρία της φυσικής και έχει προβλέψει με ακρίβεια μια μεγάλη ποικιλία φαινομένων.
Ωστόσο, το μοντέλο δεν μπορεί να εξηγήσει ορισμένα από τα βαθύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής, όπως το από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη και η ανισορροπία ύλης και αντιύλης στο σύμπαν.
Για να βοηθήσουν στην επίλυση ορισμένων από αυτά τα μυστήρια, οι ερευνητές αναζητούν σωματίδια που συμπεριφέρονται με διαφορετικούς τρόπους από αυτούς που θα αναμένονταν στο Καθιερωμένο Πρότυπο.
Τα πρόσφατα πειράματα στο Fermilab, που αναφέρονται ως Muon g-2, μελέτησαν την ταλάντωση των μιονίων καθώς ταξίδευαν μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο.
Το μιόνιο είναι ένα μαγνητικό και αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο παρόμοιο με το ξαδερφάκι του, το ηλεκτρόνιο, αλλά 200 φορές μεγαλύτερης μάζας.
Σχηματίζονται με φυσικό τρόπο όταν οι κοσμικές ακτίνες προσκρούουν στην ατμόσφαιρα της Γης.
Είναι σημαντικό ότι τα μιόνια είναι επίσης μαγνητικά και ταλαντεύονται καθώς περιστρέφονται παρουσία ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου.
Το μιόνιο, όπως και το ηλεκτρόνιο, έχει έναν μικροσκοπικό εσωτερικό μαγνήτη που το κάνει να ταλαντεύεται – ή, τεχνικά μιλώντας, να «προσηλώνεται» – όπως ο άξονας μιας περιστρεφόμενης κορυφής.
Το πείραμα του Fermilab – που διεξήχθη σε αδιανόητα χαμηλές θερμοκρασίες -450°F (-268°C) – εκτόξευσε δέσμες μιονίων στον υπεραγώγιμο μαγνητικό δακτύλιο αποθήκευσης σε σχήμα ντόνατ, διαμέτρου 15 μέτρων.
Τα μιόνια κυκλοφορούν χιλιάδες φορές στον δακτύλιο με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός σε μια προσπάθεια να μετρηθεί ο τρόπος με τον οποίο ταλαντεύονται με την πάροδο του χρόνου.
Καθώς τα μιόνια περιφέρονται, αλληλεπιδρούν με άλλα υποατομικά σωματίδια που, σαν μικροσκοπικοί «παρτενέρ», μεταβάλλουν την ταλάντωσή τους.
Οι ανιχνευτές που βρίσκονταν στον δακτύλιο επέτρεψαν στους επιστήμονες να προσδιορίσουν πόσο γρήγορα «κάνουν επεξεργασία» τα μιόνια.
Παρόμοια με τα αποτελέσματα του 2021, η ταχύτητα της ταλάντωσης, όπως μετρήθηκε στο πείραμα, διέφερε σημαντικά από την προβλεπόμενη με βάση το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Η «μαγνητική ροπή» του μιονίου – το μέτρο της τάσης του αντικειμένου να ευθυγραμμιστεί με ένα μαγνητικό πεδίο – ως συνάρτηση του σπιν του σωματιδίου αναπαρίσταται με το γράμμα g και σύμφωνα με τη θεωρία θα πρέπει να είναι λίγο μεγαλύτερη από 2.
Ωστόσο, οι πρόσφατα ανακοινωθείσες μετρήσεις διαπίστωσαν ότι η μαγνητική ροπή είναι ισχυρότερη κατά περίπου 0,2 μέρη ανά εκατομμύριο, ένα μικρό αλλά σημαντικό ποσό.
Η νέα προσπάθεια αναπαράγει και βελτιώνει ένα προηγούμενο πείραμα στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven της Νέας Υόρκης, τα αποτελέσματα του οποίου το 2006 ήταν τα πρώτα που υπέδειξαν ότι η συμπεριφορά του μιονίου διέφερε από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Οι μετέπειτα μετρήσεις στο Fermilab ενίσχυσαν το αποτέλεσμα αυτό με μεγαλύτερη βεβαιότητα, αλλά καμία δεν ήταν πιο ασφαλής από τα νέα αποτελέσματα.
Τα αποτελέσματα του 2021 έδειξαν ομοίως μια ανώμαλη ταλάντωση, αλλά τα νέα αποτελέσματα βασίστηκαν σε τετραπλάσιο όγκο δεδομένων, ενισχύοντας την εμπιστοσύνη στα ευρήματα.
Η ομάδα εξακολουθεί να εργάζεται για να ενσωματώσει άλλα τρία χρόνια δεδομένων μαζί για μια οριστική μέτρηση της λεγόμενης «μαγνητικής ροπής» του μιονίου.
«Με όλη αυτή τη νέα γνώση, το αποτέλεσμα εξακολουθεί να συμφωνεί με τα προηγούμενα αποτελέσματα και αυτό είναι εξαιρετικά συναρπαστικό», δήλωσε η συν-συγγραφέας της μελέτης Dr Rebecca Chislett στο University College του Λονδίνου.
Τα αποτελέσματα ενισχύουν περαιτέρω τις προηγούμενες ακριβείς μετρήσεις της ομάδας μας για την ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου, φτάνοντας σε πρωτοφανή ακρίβεια στη δοκιμή του Καθιερωμένου Προτύπου και στην έρευνα βαθύτερα στον υποατομικό κόσμο».
