Οι ανανεωμένες μετρήσεις του μαγνητισμού των μιονίων θα μπορούσαν να ανοίξουν την πόρτα σε νέα φυσική
Την επόμενη εβδομάδα, οι φυσικοί θα ξεκινήσουν μια παλιά αναζήτηση για νέα φυσική. Μια ομάδα 190 ερευνητών στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi (Fermilab) στη Μπαταβία του Ιλινόις, θα αρχίσει να μετράει με εξαιρετική ακρίβεια τον μαγνητισμό ενός φευγαλέου σωματιδίου που ονομάζεται μιόνιο. Ελπίζουν να επιβεβαιώσουν τους δελεαστικούς υπαινιγμούς από μια προηγούμενη ενσάρκωση του πειράματος, το οποίο πρότεινε ότι το σωματίδιο είναι πάντα τόσο ελαφρώς πιο μαγνητικό από ό,τι είχε προβλεφθεί από το κυρίαρχο τυπικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Αυτό θα έδινε στους ερευνητές κάτι που επιθυμούσαν εδώ και δεκαετίες:απόδειξη της φυσικής πέρα από το τυπικό μοντέλο.
"Η φυσική θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει μια μικρή δόση αγάπης από τη φύση αυτή τη στιγμή", λέει ο David Hertzog, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ και συν-εκπρόσωπος του πειράματος, το οποίο είναι γνωστό ως Muon g-2 (προφέρεται "gee minus two "). Οι φυσικοί αισθάνονται ολοένα και περισσότερο εμποδισμένοι επειδή ο μεγαλύτερος θρυμματιστής ατόμων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας, δεν έχει ακόμη εκτινάξει σωματίδια πέρα από αυτά του τυπικού μοντέλου. Ωστόσο, το g-2 θα μπορούσε να παρέχει έμμεσες ενδείξεις για σωματίδια πολύ βαριά για να παραχθούν από τον LHC.
Το μιόνιο είναι ένας βαρύτερος, ασταθής ξάδερφος του ηλεκτρονίου. Επειδή είναι φορτισμένο, θα κάνει κύκλους σε ένα μαγνητικό πεδίο. Κάθε μιόνιο μαγνητίζεται επίσης σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης ράβδων. Τοποθετήστε ένα μιόνιο σε ένα μαγνητικό πεδίο κάθετο στον προσανατολισμό της μαγνήτισής του και η μαγνητική του πολικότητα θα περιστραφεί ή θα προηγηθεί, ακριβώς όπως μια περιστρεφόμενη βελόνα πυξίδας.
Με την πρώτη ματιά, η θεωρία προβλέπει ότι σε ένα μαγνητικό πεδίο ο μαγνητισμός ενός μιονίου θα πρέπει να προχωρά με τον ίδιο ρυθμό που κυκλοφορεί το ίδιο το σωματίδιο, έτσι ώστε αν ξεκινήσει πολωμένο προς την κατεύθυνση που πετάει, θα παραμείνει κλειδωμένο σε όλη την τροχιά του. Χάρη στην κβαντική αβεβαιότητα, ωστόσο, το μιόνιο εκπέμπει συνεχώς και επαναρροφεί άλλα σωματίδια. Αυτή η ομίχλη των σωματιδίων που εισέρχονται και βγαίνουν από την ύπαρξη αυξάνει τον μαγνητισμό του μιονίου και το κάνει να προχωρά ελαφρώς πιο γρήγορα από ό,τι κυκλοφορεί.
Επειδή το μιόνιο μπορεί να εκπέμψει και να επαναρροφήσει οποιοδήποτε σωματίδιο, ο μαγνητισμός του υπολογίζει όλα τα πιθανά σωματίδια —ακόμα και τα νέα πολύ μεγάλα για να τα δημιουργήσει ο LHC. Άλλα φορτισμένα σωματίδια θα μπορούσαν επίσης να δοκιμάσουν αυτόν τον αόρατο ζωολογικό κήπο, λέει η Aida El-Khadra, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Ουρμπάνα. Αλλά, προσθέτει, "Το μιόνιο φτάνει στο γλυκό σημείο του να είναι αρκετά ελαφρύ ώστε να είναι μακρόβιο και αρκετά βαρύ ώστε να είναι ευαίσθητο στη νέα φυσική."
Από το 1997 έως το 2001, οι ερευνητές στο αρχικό πείραμα g-2 στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Upton της Νέας Υόρκης, δοκίμασαν αυτή την υπόσχεση εκτοξεύοντας τα σωματίδια κατά χιλιάδες σε έναν δακτυλιοειδή θάλαμο κενού διαμέτρου 45 μέτρων, που βρίσκεται ανάμεσα σε υπεραγώγιμους μαγνήτες.
Σε εκατοντάδες μικροδευτερόλεπτα, τα θετικά φορτισμένα μιόνια διασπώνται σε ποζιτρόνια, τα οποία τείνουν να φτύνονται προς την κατεύθυνση της πόλωσης των μιονίων. Οι φυσικοί μπορούν να παρακολουθήσουν τη μετάπτωση των μιονίων παρακολουθώντας για ποζιτρόνια με ανιχνευτές που επενδύουν την άκρη του δακτυλίου.
Η ομάδα g-2 ανέφερε για πρώτη φορά μια ελαφρά υπέρβαση στον μαγνητισμό του μιονίου το 2001. Αυτό το αποτέλεσμα γρήγορα έσβησε καθώς οι θεωρητικοί βρήκαν ένα απλό μαθηματικό λάθος στην πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου (Science , 21 Δεκεμβρίου 2001, σελ. 2449). Ωστόσο, μέχρι τη στιγμή που η ομάδα ανέφερε τα τελευταία από τα δεδομένα της στο Brookhaven το 2004, η ασυμφωνία είχε επανεμφανιστεί. Από τότε, το αποτέλεσμα έχει αυξηθεί, καθώς οι θεωρητικοί βελτίωσαν τους υπολογισμούς των τυπικών μοντέλων τους. Είχαν αγωνιστεί να εξηγήσουν τη διαδικασία κατά την οποία το μιόνιο εκπέμπει και επαναρροφεί σωματίδια που ονομάζονται αδρόνια, λέει ο Michel Davier, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο Paris-South στο Orsay της Γαλλίας. Χρησιμοποιώντας δεδομένα από επιταχυντές ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων, λέει, οι θεωρητικοί κατάφεραν να μειώσουν αυτή τη μεγαλύτερη αβεβαιότητα.
Οι φυσικοί μετρούν την ισχύ των σημάτων σε πολλαπλάσια της πειραματικής αβεβαιότητας, σ, και η απόκλιση τώρα είναι 3,5 σ—μικρή από τα 5 σ που απαιτούνται για να διεκδικήσουμε μια ανακάλυψη, αλλά αρκετά ενδιαφέρουσα ώστε να δικαιολογεί την προσπάθεια ξανά.
Το 2013, η ομάδα g-2 οδήγησε το πείραμα σε μια οδύσσεια 5000 χιλιομέτρων από το Brookhaven στο Fermilab, μεταφέροντας το δαχτυλίδι με φορτηγίδα γύρω από την ανατολική ακτή των ΗΠΑ και μέχρι τον ποταμό Μισισιπή. Έκτοτε, έχουν κάνει το μαγνητικό πεδίο τρεις φορές πιο ομοιόμορφο και στο Fermilab μπορούν να δημιουργήσουν πολύ πιο καθαρές δέσμες μιονίων. «Είναι πραγματικά ένα εντελώς νέο πείραμα», λέει ο Lee Roberts, φυσικός g-2 στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης. "Όλα είναι καλύτερα."
Σε 3 χρόνια, η ομάδα στοχεύει να συλλέξει 21 φορές περισσότερα δεδομένα από ό,τι κατά τη διάρκεια της παραμονής της στο Brookhaven, λέει ο Roberts. Μέχρι το επόμενο έτος, λέει ο Hertzog, η ομάδα ελπίζει να έχει αρκετά δεδομένα για ένα πρώτο αποτέλεσμα, το οποίο θα μπορούσε να ωθήσει τη διαφορά πάνω από 5 σ.
Θα καταλήξει το μιόνιο να είναι μια πύλη για τη νέα φυσική; Η JoAnne Hewett, θεωρητικός στο SLAC National Accelerator Laboratory στο Menlo Park της Καλιφόρνια, διστάζει να στοιχηματίσει. «Στη διάρκεια της ζωής μου στη φυσική, κάθε απόκλιση 3 σ από το τυπικό μοντέλο έχει εξαφανιστεί», λέει. "Αν δεν ήταν αυτές οι αποσκευές, θα ήμουν προσεκτικά αισιόδοξος."
