Η ιστορία με τον μανδύα και το στιλέτο πίσω από το πιο αναμενόμενο αποτέλεσμα φέτος στη σωματιδιακή φυσική
Το 1986, ο τηλεοπτικός δημοσιογράφος Dan Rather δέχτηκε επίθεση στη Νέα Υόρκη. Ένας διαταραγμένος επιτιθέμενος τον χτύπησε ενώ απαιτούσε κρυπτικά:"Kenneth, ποια είναι η συχνότητα;" Το ερώτημα έγινε μιμίδιο της ποπ κουλτούρας και το ροκ συγκρότημα R.E.M. βασίστηκε ακόμη και ένα τραγούδι επιτυχίας σε αυτό. Τώρα, θα μπορούσε να είναι το σύνθημα για την ομάδα που πρόκειται να προσφέρει το πιο αναμενόμενο αποτέλεσμα της χρονιάς στη σωματιδιακή φυσική.
Ήδη από τον Μάρτιο, το πείραμα Muon g-2 στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi (Fermilab) θα αναφέρει μια νέα μέτρηση του μαγνητισμού του μιονίου, ενός βαρύτερου, βραχύβιου ξαδέλφου του ηλεκτρονίου. Η προσπάθεια συνεπάγεται τη μέτρηση μιας μόνο συχνότητας με εξαιρετική ακρίβεια. Σε δελεαστικά αποτελέσματα που χρονολογούνται από το 2001, το g-2 διαπίστωσε ότι το μιόνιο είναι ελαφρώς πιο μαγνητικό από ό,τι προβλέπει η θεωρία. Εάν επιβεβαιωθεί, η περίσσεια θα σήμαινε, για πρώτη φορά εδώ και δεκαετίες, την ύπαρξη νέων τεράστιων σωματιδίων που μπορεί να παράγει ένας θρυμματιστής ατόμων, λέει η Aida El-Khadra, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Illinois, Urbana-Champaign. "Αυτό θα ήταν ένα πολύ σαφές σημάδι νέας φυσικής, επομένως θα ήταν τεράστια υπόθεση."
Τα μέτρα που λαμβάνουν οι πειραματιστές του g-2 για να διασφαλίσουν ότι δεν θα εξαπατηθούν να ισχυριστούν μια ψευδή ανακάλυψη είναι τα μυθιστορήματα κατασκοπείας, που περιλαμβάνουν κλειδωμένα ντουλάπια, σφραγισμένους φακέλους και μια δεύτερη, μυστική συχνότητα που είναι γνωστή σε δύο μόνο άτομα, και τα δύο έξω. την ομάδα g-2. "Η γυναίκα μου δεν θα με επιλέξει για υπεύθυνες δουλειές όπως αυτή, οπότε δεν ξέρω γιατί έγινε ένα σημαντικό πείραμα", λέει ο Joseph Lykken, επικεφαλής ερευνητής της Fermilab, ένας από τους φύλακες του μυστικού.
Όπως το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο περιστρέφεται σαν κορυφή και το σπιν του το διαποτίζει με μαγνητισμό. Η κβαντική θεωρία απαιτεί επίσης το μιόνιο να περιβάλλεται από σωματίδια και αντισωματίδια που πετάνε μέσα και έξω από το κενό πολύ γρήγορα για να παρατηρηθεί άμεσα. Αυτά τα «εικονικά σωματίδια» αυξάνουν τον μαγνητισμό του μιονίου κατά περίπου 0,001%, μια περίσσεια που συμβολίζεται ως g-2. Οι θεωρητικοί μπορούν να προβλέψουν την περίσσεια με μεγάλη ακρίβεια, υποθέτοντας ότι το κενό αφρίζει μόνο με τα σωματίδια στην επικρατούσα θεωρία τους. Αλλά αυτές οι προβλέψεις δεν θα ταιριάζουν με τη μετρούμενη τιμή εάν το κενό κρύβει επίσης τεράστια νέα σωματίδια. (Το ηλεκτρόνιο παρουσιάζει παρόμοια αποτελέσματα, αλλά είναι λιγότερο ευαίσθητο σε νέα σωματίδια από το μιόνιο επειδή είναι πολύ μικρότερης μάζας.)
Για να μετρήσουν τον ενδεικτικό μαγνητισμό, οι ερευνητές του g-2 πυροβολούν μια δέσμη μιονίων (ή, για να είμαστε πιο ακριβείς, τα αντίστοιχα της αντιύλης) σε έναν κυκλικό επιταχυντή σωματιδίων πλάτους 15 μέτρων. Χιλιάδες μιόνια μπαίνουν στο δαχτυλίδι με τον άξονα περιστροφής τους να δείχνει προς την κατεύθυνση που ταξιδεύουν, σαν ποδόσφαιρο που πετάει ένας δεξιόχειρας στρατηγός. Ένα κατακόρυφο μαγνητικό πεδίο κάμπτει τις τροχιές τους γύρω από τον δακτύλιο και επίσης κάνει τον άξονα περιστροφής του να στροβιλίζεται ή να προχωρά, όπως ένα ταλαντευόμενο γυροσκόπιο.
Αν δεν υπήρχε ο επιπλέον μαγνητισμός από τα εικονικά σωματίδια, τα μιόνια θα προχωρούσαν με τον ίδιο ρυθμό που θα περιφέρονταν γύρω από τον δακτύλιο και, επομένως, θα περιστρέφονταν πάντα προς την κατεύθυνση του ταξιδιού τους. Ωστόσο, ο επιπλέον μαγνητισμός κάνει τα μιόνια να προχωρούν γρηγορότερα από ό,τι σε τροχιά, περίπου 30 φορές για κάθε 29 τροχιές—ένα φαινόμενο που, κατ' αρχήν, καθιστά απλή τη μέτρηση της περίσσειας.
Υπερβολικός μαγνητισμός
Καθώς περιφέρονται σε τροχιά, κάθε μιόνιο διασπάται για να παράγει ένα ποζιτρόνιο, το οποίο πετάει σε έναν από τους ανιχνευτές που επενδύουν τον δακτύλιο. Τα ποζιτρόνια έχουν υψηλότερη ενέργεια όταν τα μιόνια περιστρέφονται προς την κατεύθυνση που κυκλοφορούν και χαμηλότερη ενέργεια όταν περιστρέφονται αντίθετα. Έτσι, καθώς τα μιόνια περιφέρονται γύρω και γύρω, η ροή των ποζιτρονίων υψηλής ενέργειας ταλαντώνεται με μια συχνότητα που αποκαλύπτει πόσο επιπλέον μαγνητισμό δημιουργούν τα εικονικά σωματίδια.
Για να μετρηθεί αυτή η συχνότητα με αρκετή ακρίβεια για την αναζήτηση νέων σωματιδίων, οι φυσικοί πρέπει να ελέγχουν αυστηρά κάθε πτυχή του πειράματος, λέει ο Chris Polly, φυσικός στο Fermilab και συν-εκπρόσωπος της 200μελούς ομάδας g-2. Για παράδειγμα, για να κάνουν το μαγνητικό πεδίο του δακτυλίου ομοιόμορφο σε 25 μέρη ανά 1 εκατομμύριο, οι ερευνητές έχουν κοσμήσει τους πόλους των ηλεκτρομαγνητών του με περισσότερες από 9000 λωρίδες χάλυβα πιο λεπτές από ένα φύλλο χαρτιού, λέει η Polly, η οποία έχει εργαστεί στο g-2. πείραμα από την έναρξή του το 1989 στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Upton της Νέας Υόρκης. Κάθε φύλλο λειτουργεί ως μαγνητικό "γλάδι" που κάνει μια μικροσκοπική προσαρμογή στο πεδίο.
Στο Brookhaven, το πείραμα συνέλεξε δεδομένα από το 1997 έως το 2001. Τελικά, οι ερευνητές μέτρησαν τον μαγνητισμό του μιονίου με ακρίβεια 0,6 μερών στο 1 δισεκατομμύριο, φτάνοντας σε μια τιμή περίπου 2,4 μέρη ανά δισεκατομμύριο μεγαλύτερη από τη θεωρητική τιμή εκείνη την εποχή. Το 2013, μετέφεραν το δακτύλιο 700 τόνων 5.000 χιλιόμετρα με φορτηγίδα στο Fermilab στη Batavia του Ιλινόις. Χρησιμοποιώντας μια πιο καθαρή, πιο έντονη δέσμη μιονίων, το ανανεωμένο g-2 στοχεύει τελικά να μειώσει την πειραματική αβεβαιότητα στο ένα τέταρτο της τρέχουσας τιμής του. Το αποτέλεσμα που θα ανακοινωθεί αυτή την άνοιξη δεν θα επιτύχει αυτόν τον στόχο, λέει ο Lee Roberts, φυσικός g-2 στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης. Αλλά αν ταιριάζει με το αποτέλεσμα του Brookhaven, θα ενισχύσει την περίπτωση νέων σωματιδίων που κρύβονται στο κενό.
Ωστόσο, οι ερευνητές του g-2 πρέπει να διασφαλίσουν ότι δεν θα ξεγελάσουν τον εαυτό τους κάνοντας τις περισσότερες από 100 μικροσκοπικές διορθώσεις που απαιτούν οι διάφορες πτυχές του πειράματος. Για να αποφύγουν υποσυνείδητα να κατευθύνουν τη συχνότητα προς την τιμή που θέλουν, οι πειραματιστές τυφλώνονται στην πραγματική συχνότητα μέχρι να ολοκληρώσουν την ανάλυσή τους.
Η τύφλωση έχει πολλαπλά στρώματα, αλλά το τελευταίο είναι το πιο σημαντικό. Για να κρύψει την πραγματική συχνότητα με την οποία ταλαντώνεται η ροή των ποζιτρονίων, το πείραμα εκτελείται σε ένα ρολόι που χτυπά όχι σε πραγματικά νανοδευτερόλεπτα, αλλά σε άγνωστη συχνότητα, επιλεγμένη τυχαία. Στην αρχή κάθε μηνιαίας εκτέλεσης, ο Greg Bock των Lykken και Fermilab δίνουν μια οκταψήφια τιμή σε μια γεννήτρια συχνοτήτων που κρατιέται κλειστή. Το τελευταίο βήμα στη μέτρηση είναι να ανοίξετε τον σφραγισμένο φάκελο που περιέχει την άγνωστη συχνότητα, το κλειδί για τη μετατροπή των ενδείξεων του ρολογιού σε πραγματικό χρόνο. "Είναι σαν τα βραβεία Όσκαρ", λέει ο Lykken.
Οποιεσδήποτε υπαινιγμοί νέας φυσικής θα προκύψουν από το χάσμα μεταξύ του μετρούμενου αποτελέσματος και της πρόβλεψης των θεωρητικών. Αυτή η πρόβλεψη έχει τις δικές της αβεβαιότητες, αλλά τα τελευταία 15 χρόνια, οι υπολογισμοί έχουν γίνει πιο ακριβείς και συνεπείς και η διαφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος είναι τώρα μεγαλύτερη από ποτέ. Το χάσμα μεταξύ της συναινετικής τιμής των θεωρητικών για τον μαγνητισμό του μιονίου και της τιμής Brookhaven είναι τώρα 3,7 φορές τη συνολική αβεβαιότητα, λέει ο El-Khadra, όχι πολύ μακριά από τις πέντε φορές που απαιτούνται για να διεκδικήσουμε μια ανακάλυψη.
Ωστόσο, η διαφορά μπορεί να είναι λιγότερο συναρπαστική από ό,τι πριν από 20 χρόνια, λέει ο William Marciano, θεωρητικός στο Brookhaven. Εκείνη την εποχή, πολλοί φυσικοί πίστευαν ότι θα μπορούσε να είναι ένας υπαινιγμός υπερσυμμετρίας, μια θεωρία που προβλέπει έναν βαρύτερο εταίρο για κάθε τυπικό σωματίδιο μοντέλου. Αλλά αν τέτοιοι εταίροι κρύβονται στο κενό, ο μεγαλύτερος θρυμματιστής ατόμων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων της Ευρώπης, πιθανότατα θα τους είχε εκτοξεύσει μέχρι τώρα, λέει ο Marciano. "Δεν είναι αδύνατο να εξηγήσεις [τον μαγνητισμό του μιονίου] με υπερσυμμετρία", λέει ο Marciano, "αλλά πρέπει να σταθείς στο κεφάλι σου για να το κάνεις."
Ωστόσο, οι φυσικοί περιμένουν με ανυπομονησία τη νέα μέτρηση γιατί, αν η διαφορά είναι πραγματική, κάτι νέο πρέπει να το προκαλεί. Η ομάδα εξακολουθεί να αποφασίζει πότε θα ξετυφλώσει τα δεδομένα, λέει ο Roberts, ο οποίος εργάζεται στο g-2 από τότε που ξεκίνησε. "Στο Brookhaven, καθόμουν πάντα στην άκρη της καρέκλας μου [κατά τη διάρκεια του ξετυφλώματος] και νομίζω ότι θα είμαι και εγώ εδώ."
