Przełomowe odkrycie: miony zmieniają prawa fizyki. "To nasze lądowanie na Marsie"

W tym artykule:

1. (nowy) Wstrząs
2. Tego jeszcze nie grali
3. Apetyt na więcej
4. Nierozwikłane sprawy

Niezwykłą cechą współczesnej fizyki jest jej podobieństwo do historii detektywistycznych. Takich w stylu Agathy Christie, gdzie jedna zagadka kryje kolejną a ta następną. Istna szkatułkowa konstrukcja kryjąca wiele mylących śladów. Wszystko, byle tylko zbić czytelnika z właściwego tropu. I fizyk i detektyw muszą umieć rozdzielić ważne wskazówki od nieistotnych. I jeden i drugi sięgają po wyjaśnienia spoza spektrum oczywistego. Jak pisał Arthur Conan Doyle, twórca postaci Sherlocka Holmes’a, gdy odrzucisz to, co niemożliwe, wszystko pozostałe, choćby najbardziej nieprawdopodobne, musi być prawdą.

(nowy) Wstrząs

Ta kruszyna wstrząsnęła podstawami wszystkiego, co wiemy - miała powiedzieć dziennikowi „New York Times” fizyk teoretyczna pracująca w laboratorium koło Chicago. Prowadzone tam eksperymenty z mionami sugerują istnienie nieznanych cząsteczek materii i energii kluczowych dla samej natury i ewolucji kosmosu.

Prawdopodobieństwo pomyłki wynosi 1 do 40000. Nie tyle nawet pomyłki, co statystycznie możliwego przypadku. Ten poziom statystycznej pewności opisuje się jako 4.1 sigma. By naukowiec mógł powiedzieć, że coś odkrył musi osiągnąć poziom 5 sigma. Wówczas prawdopodobieństwo zaobserwowania przypadkowego zjawiska (a nie faktycznego odkrycia) wynosi 1 do 3,5 mln.

- To nasz moment lądowania na Marsie – stwierdził Chris Polly, fizyk pracujący w Fermilab, czyli akceleratorze cząsteczek należącym do Amerykańskiego Departamentu Energii a zbudowanym w miejscowości Batavia w stanie Illinois. Miony, którymi zajmuje się kilkuset naukowców z 7 krajów przypominają elektrony, ale są od nich 200 razy cięższe. To jedne z podstawowych cegiełek kosmosu.

Polly i jego koledzy z Fermi National Accelerator Laboratory przeprowadzili niedawno eksperyment, w którym miony puszczone przez silne pole magnetyczne nie zachowały się w spodziewany sposób. I teraz jest kłopot. Ta „aberracja” nie mieści się w tzw. modelu standardowym, czyli zbiorze równań wyliczających 17 (obecnie) cząsteczek tworzących wszechświat i ich zachowanie względem siebie. Jeżeli nie ma pomyłki w obliczeniach z Fermilab, to model standardowy trzeba będzie uzupełnić.

Tego jeszcze nie grali

- Wynik eksperymentu dowodzi, że mion jest czuły na coś, czego nie opisują żadne teorie – mówi gazecie Renee Fatemi, fizyk z uniwersytetu stanowego w Kentucky. Test nazwany po angielsku „Muon g-2” (czyt. g minus 2, „g” odpowiada momentowi magnetycznemu cząsteczki, ) nie był pierwszym, który wykazał nietypowe zachowanie owych cząsteczek. Podobne rezultaty przyniósł (identycznie nazwany) eksperyment z Krajowego Laboratorium w Brookhaven w 2001 roku.

W Fermilab postanowiono powtórzyć eksperyment sprzed 20 lat. Pozostano możliwie wiernym oryginałowi, korzystając nawet z części tych samych urządzeń przewiezionych między odległymi kilka tysięcy kilometrów placówkami naukowymi. Cztery lata trwało montowanie i kalibrowanie sprzętu. Jak czytamy w informacji prasowej, w międzyczasie wynaleźli kilka nowych urządzeń i technik symulacji.

Eksperyment polegał na wysłaniu mionów w obieg po 14 metrowym pierścieniu i włączeniu pola magnetycznego. Według praw fizyki przewidzianych w modelu standardowym miony w takiej sytuacji powinny drgać z określoną częstotliwością. Tymczasem robiły to szybciej. I to właśnie może być dowód na istnienie czegoś nowego, co wpłynęło na zachowanie cząsteczek w polu magnetycznym.

Apetyt na więcej

Jeden z Brytyjczyków związanych z projektem, prof. Mark Lancaster powiedział BBC News, że „odkryto zachowania mionów niezgodne z modelem standardowym”. – To naturalnie ekscytujące, bo może wskazywać na istnienie nieznanych praw fizyki, nowych cząsteczek czy nieznanych jeszcze sił - dodał naukowiec z uniwersytetu w Manchesterze.

Ogłoszone 7 kwietnia wyniki zawierały analizę jedynie 6 proc. danych które eksperyment z mionami ma przynieść w najbliższych latach. Wielu fizyków wierzy, że nadal pozostały olbrzymie pokłady wiedzy do zdobycia. Przecież chodzić tu może o piątą, nieznaną siłę natury. Znane dziś oddziaływania podstawowe to grawitacyjne (hipotetyczna cząsteczka grawiton), elektromagnetyczne (foton), słabe (bozon) oraz silne (gluon).

Dodatkowe dane z eksperymentu w Fermilab mogą pomóc w budowie następnego pokolenia (bardzo drogich) akceleratorów cząsteczek. – Jestem podekscytowana. Zachowanie tej kruszyny mogło wstrząsnąć fundamentami wszystkiego o czym sądziliśmy, że wiemy – stwierdziła (niezwiązana z eksperymentem z mionami) szefowa wydziału fizyki teoretycznej w Fermilab.

Nierozwikłane sprawy

Fizycy lubią model standardowy, bo spójnie tłumaczy niemal wszystko co dzieje się w naszym świecie na poziomie subatomowym. Sęk w tym, że tworzona jego równaniami niego „powieść kryminalna” nadal kryje nierozwikłane tajemnice. Zupełnie, jakby autor powieści o przygodach detektywa celowo pomijał trudne dla siebie tematy, bo nie miał pomysłu, jak jego bohater miałby rozwiązać takie zagadki.

Mówimy tu choćby o ciemnej materii, stanowiącej szacunkowo 27 proc. „treści” wszechświata. Wiemy, że tyle tego jest a żaden naukowiec nie wie, z czego ta materia jest zrobiona. Trochę to dziwne, że nie mamy pojęcia jakie cząsteczki odpowiadają za ćwierć wszelkiego istnienia. Gdyby nowy eksperyment Muon g-2 potwierdziłby istnienie czegoś spoza modelu standardowego, jakiejś nowej cząsteczki mieszającej przy momencie magnetycznym miona, może to skierować naukowców na nowy trop i pozwolić zamknąć którąś z nierozwikłanych zagadek kosmosu.