Ο νέος υπολογισμός του μαγνητισμού των σκοτεινών σωματιδίων θα μπορούσε να μειώσει τις ελπίδες για νέα φυσική
Μιλήστε για βροχή στην παρέλαση των συναδέλφων σας. Στις 7 Απριλίου, μια συνεργασία περισσότερων από 200 πειραματιστών ανακοίνωσε με μεγάλη θαυμασμό ότι ένα σωματίδιο που ονομάζεται μιόνιο είναι ελαφρώς πιο μαγνητικό από ό,τι προβλεπόταν από το τυπικό μοντέλο των φυσικών, μια ασυμφωνία που θα μπορούσε να σηματοδοτήσει νέα σωματίδια που περιμένουν να ανακαλυφθούν. Αλλά την ίδια μέρα, 14 θεωρητικοί δημοσίευσαν μια εργασία που υποδηλώνει ότι η συναινετική θεωρητική πρόβλεψη είναι λάθος. Η αξία τους βρίσκεται πιο κοντά στο πειραματικό αποτέλεσμα και κάνει τη δελεαστική απόκλιση σχεδόν να εξαφανιστεί.
«Το τυπικό μοντέλο είναι εντάξει, σύμφωνα με τους υπολογισμούς μας», λέει ο Zoltan Fodor, θεωρητικός στο Pennsylvania State University, University Park, και επικεφαλής της συνεργασίας Βουδαπέστης-Μασσαλίας-Βούπερταλ (BMW), που παρήγαγε το νέο θεωρητικό αποτέλεσμα. Ωστόσο, άλλοι λένε ότι είναι πολύ νωρίς για να απορρίψουμε τον προηγούμενο υπολογισμό, ο οποίος είναι προϊόν επίπονης προσπάθειας δεκαετιών. "Δεν μπορούμε να αγνοήσουμε αμέσως όλα όσα γνωρίζουμε και να περάσουμε σε ένα και μόνο νέο αποτέλεσμα μιας νέας μεθόδου", λέει ο Christoph Lehner, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Regensburg.
Ένας βαρύτερος, ασταθής ξάδερφος του ηλεκτρονίου, το μιόνιο δρα σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης ράβδων και ο μαγνητισμός του παρέχει ένα μέσο για να ρίξει νύξεις νέων σωματιδίων. Η κβαντομηχανική και η σχετικότητα απαιτούν το μιόνιο να έχει έναν ορισμένο βασικό μαγνητισμό. Χάρη στην κβαντική αβεβαιότητα, τα σωματίδια και τα αντισωματίδια εισέρχονται και εξαφανίζονται συνεχώς γύρω από το μιόνιο. Αυτά τα «εικονικά» σωματίδια δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, αλλά μπορούν να επηρεάσουν τις ιδιότητες του μιονίου, συμπεριλαμβανομένου του μαγνητισμού. Τα τυπικά σωματίδια του μοντέλου θα πρέπει να αυξήσουν τον μαγνητισμό του κατά περίπου 0,1%, και τα άγνωστα ακόμη σωματίδια θα πρόσθεταν τη δική τους ώθηση. Τέτοια σωματίδια μπορεί κάποια μέρα να δημιουργηθούν σε έναν θρυμματιστή ατόμου.
Γι' αυτό οι φυσικοί ήταν τόσο ενθουσιασμένοι όταν το πείραμα Muon g-2 στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi επιβεβαίωσε έναν 20χρονο υπαινιγμό ότι το μιόνιο είναι περίπου 2,5 μέρη ανά δισεκατομμύριο περισσότερο μαγνητικό από ό,τι προβλέπει το τυπικό μοντέλο, σύμφωνα με τη συναινετική τιμή κυκλοφόρησε πέρυσι από την 132-μελή Muon g-2 Theory Initiative.
Για να κάνουν αυτή την πρόβλεψη, οι θεωρητικοί έπρεπε να υπολογίσουν τους χιλιάδες τρόπους με τους οποίους τα τυπικά σωματίδια του μοντέλου μπορούν να κινηθούν γύρω από το μιόνιο και να επηρεάσουν τη συμπεριφορά του. Μία οικογένεια διεργασιών, γνωστή ως αδρονική πόλωση κενού, είναι ιδιαίτερα προκλητική και περιορίζει την ακρίβεια ολόκληρου του υπολογισμού. Σε αυτό, το μιόνιο εκπέμπει και επαναρροφεί σωματίδια γνωστά ως αδρόνια, τα οποία αποτελούνται από άλλα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Η θεωρία των κουάρκ και η ισχυρή πυρηνική δύναμη που τα δεσμεύει, η κβαντική χρωμοδυναμική (QCD), είναι τόσο δυσκίνητη που οι θεωρητικοί δεν μπορούν να υπολογίσουν τα αποτελέσματα μέσω της συνήθους σειράς ολοένα μικρότερων προσεγγίσεων. Αντίθετα, πρέπει να βασίζονται σε δεδομένα από επιταχυντές που δημιουργούν αδρόνια με σύγκρουση ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων.
Δεν πειράζει ποτέ το κενό;
Υπάρχει και άλλος τρόπος όμως. Οι θεωρητικοί μπορούν να επιχειρήσουν υπολογισμούς QCD ωμής δύναμης σε υπερυπολογιστές, εάν μοντελοποιήσουν το συνεχές του χώρου και του χρόνου ως ένα πλέγμα διακριτών σημείων που καταλαμβάνονται από κουάρκ και σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια, τα οποία μεταφέρουν την ισχυρή δύναμη. Πριν από δώδεκα χρόνια, οι θεωρητικοί έδειξαν ότι αυτή η τεχνική "πλέγματος QCD" μπορούσε να υπολογίσει τις μάζες του πρωτονίου και του νετρονίου, που είναι και τα δύο αδρόνια. Αρκετές ομάδες έχουν επίσης εφαρμόσει το πλέγμα στον μαγνητισμό του μιονίου, αν και με σημαντικές αβεβαιότητες.
Τώρα, χρησιμοποιώντας εκατοντάδες εκατομμύρια ώρες επεξεργαστή στο Ερευνητικό Κέντρο Jülich στη Γερμανία, η ομάδα του Fodor δημιούργησε έναν δικτυωτό υπολογισμό της πόλωσης του αδρονικού κενού και μια τιμή για τον μαγνητισμό του μιονίου που συναγωνίζεται με ακρίβεια τη συναινετική τιμή του τυπικού μοντέλου. Και το νέο αποτέλεσμα είναι μόνο ένα μέρος ανά δισεκατομμύριο κάτω από την πειραματική τιμή, ανέφερε η ομάδα στο Nature. Δεδομένων των αβεβαιοτήτων, είναι πολύ κοντά για να ισχυριστεί κανείς μια διαφορά, λέει ο Fodor.
Εγείρει επίσης ερωτήματα σχετικά με τη συναινετική αξία. Για βασικά δεδομένα, εξαρτάται από τα αποτελέσματα κυρίως από δύο επιταχυντές και τα δύο σύνολα δεδομένων διαφωνούν σε ανησυχητικό βαθμό, λέει ο Fodor. Το αποτέλεσμα της ομάδας του είναι απαλλαγμένο από τέτοιες αβεβαιότητες. "Αυτός είναι ο μόνος υπολογισμός στην αγορά, επομένως μερικοί άνθρωποι αισθάνονται άβολα", λέει.
Ωστόσο, ορισμένοι θεωρητικοί λένε ότι είναι πολύ νωρίς για να βάλουμε τόσο μεγάλο βάρος σε έναν μόνο υπολογισμό πλέγματος. Η Aida El-Khadra, θεωρητικός πλέγματος στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign, και, μαζί με τον Lehner, συν-αρχηγό και ηγέτη της Πρωτοβουλίας Θεωρίας Muon g-2, σημειώνει ότι οι αβεβαιότητες στην τιμή της συναίνεσης αντανακλούν κυρίως την περιορισμένη ακρίβεια των δεδομένων εισόδου. Αντίθετα, οι αβεβαιότητες στην τιμή του πλέγματος αντικατοπτρίζουν την αξιοπιστία της ίδιας της μεθόδου και είναι πιο δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν και να ερμηνευτούν, λέει ο El-Khadra. "Το νόημα των σφαλμάτων είναι πολύ διαφορετικό", λέει.
Επίσης, το 2018 ο Lehner και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν μια ανάλυση που συνδυάζει δεδομένα επιταχυντή και υπολογισμό πλέγματος χαμηλότερης ακρίβειας. Η υβριδική τους εκτίμηση για τον μαγνητισμό του μιονίου συμφωνεί καλά με τη συναινετική πρόβλεψη, λέει ο Lehner.
«Το αποτέλεσμα της BMW πρέπει να επιβεβαιωθεί από άλλους ανεξάρτητους υπολογισμούς πλέγματος», λέει ο Alexey Petrov, θεωρητικός στο Wayne State University. Αυτοί οι υπολογισμοί υψηλής ακρίβειας θα πρέπει να εμφανιστούν εντός ενός έτους. Αλλά εάν τα αποτελέσματα του πλέγματος συμφωνούν μεταξύ τους, αλλά όχι η προσέγγιση που βασίζεται στα δεδομένα, τότε οι θεωρητικοί θα πρέπει να καταλάβουν γιατί οι δύο μέθοδοι διαφωνούν, λέει ο Petrov.
Μέχρι τότε, θα ήταν πρόωρο να πούμε ότι το δελεαστικό μυστήριο που προέκυψε από τις μετρήσεις του g-2 έχει εξηγηθεί, λέει ο El-Khadra. «Ο τυπικός υπολογισμός του μοντέλου είναι σταθερός», επιμένει. Έτσι είναι και η πειραματική αξία. Και από όσο γνωρίζουν οι φυσικοί, είναι διαφορετικοί.
