Két kísérlet lenyűgöző eredményei dacolnak a jelenlegi fizikai törvényekkel

Két kísérlet előzetes eredményei azt sugallják, hogy valami baj lehet azzal, amit a fizikusok az univerzum működéséről gondolnak, és amit a ...

Két kísérlet előzetes eredményei azt sugallják, hogy valami baj lehet azzal, amit a fizikusok az univerzum működéséről gondolnak, és amit a részecskefizika terén értetlenül és izgalommal fogadnak.

A müonoknak nevezett apró részecskék nem egészen azt teszik, amit elvárnak tőlük két különböző, hosszú ideje tartó kísérletben az Egyesült Államokban és Európában. A zavaró eredmények - ha igaznak bizonyulnak - nagy problémákat tárnak fel a a jelenlegi törvényekben, amelyeket a fizikusok használnak az univerzum szubatomi szintű működésének leírására és megértésére.

"Úgy gondoljuk, hogy állandóan a háttérrészecskék tengerében úszhatunk, amelyeket közvetlenül még nem fedeztek fel," - mondta Chris Polly, a Fermilab kísérleti munkatársa egy sajtótájékoztatón.

"Lehet, hogy olyan szörnyek, amelyeket még csak elképzelni sem tudunk, a vákuumból erednek, amelyek kölcsönhatásba lépnek a müonjainkkal, és ez lehetőséget ad nekünk arra, hogy meglássuk őket."

A szabálykönyv, az úgynevezett Standard Model körülbelül 50 évvel ezelőtt készült el. Az évtizedek alatt végzett kísérletek újra és újra megerősítették, hogy a részecskék és az univerzumot alkotó és irányító erők leírása nagyjából igaz volt, egészen mostanáig.

"Az új részecskék, az új fizika talán túlmutat a kutatásunkon," - mondta Alexej Petrov, a Wayne Állami Egyetem részecskefizikusa.

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Fermilabja szerdán jelentette be a Chicagón kívüli pályán végzett kísérletek eredményeit, amelyek alapján úgy tűnik, hogy a müonok mágneses tere nem az, aminek a standard modell szerint lennie kellene. Ez az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet Nagy Hadronütközőjének múlt hónapban közzétett új eredményeit követi, amelyek meglepő arányban találtak részecskéket a nagy sebességű ütközések következményeiként. (1)

Megerősítésük esetén az Egyesült Államok eredményei a szubatomi részecskék bizarr világának legnagyobb eredményei lesznek majdnem 10 év után a Higgs-bozon felfedezése óta, amelyet gyakran "Isteni részecskének" neveznek, mondta Aida El-Khadra, az Illinoisi Egyetem munkatársa, aki a Fermilab kísérlet elméleti fizikáján dolgozik.

A kísérletek lényege, magyarázza David Kaplan, a Johns Hopkins Egyetem elméleti fizikusa, az, hogy széthúzzák a részecskéket, hogy megtudják, van-e "valami vicces dolog" mind a részecskék, mind a köztük látszólag üres tér között.

"A titkok nem csak az anyagban élnek. Valami olyasmiben élnek, amely úgy tűnik, hogy kitölti az összes teret és időt. Ezek kvantummezők," - mondta Kaplan. "Energiát teszünk a vákuumba, és megnézzük, mi jön ki."

Mindkét eredménycsoport magában foglalja a furcsa, mulandó részecskét, az úgynevezett müont. A müon az atom középpontjában keringő elektron nehezebb unokatestvére. De a müon nem része az atomnak, instabil és általában csak két mikroszekundumig létezik. 1936-ban kozmikus sugarakban fedezték fel, ami roppant módon megzavarta a tudósokat.

"A fizikusok a kezdetektől fogva kapkodják a fejüket," - mondta Graziano Venanzoni, az Olasz Nemzeti Laboratórium kísérleti fizikusa, aki az egyik legfontosabb tudós a Muon g-2 nevű amerikai Fermilab kísérletben.

A kísérlet során a müonok egy mágnesezett pálya mentén haladnak, amely elég hosszú ideig tartja fenn a részecskéket ahhoz, hogy a kutatók jobban megismerhessék őket. Az előzetes eredmények azt sugallják, hogy a müonok mágneses "spinje" 0,1%-kal alacsonyabb, mint amit a standard modell jósol. Lehet, hogy ez nem tűnik soknak, de a részecskefizikusok számára óriási - több mint elég ahhoz, hogy felborítsa a jelenlegi ismereteiket.

A kutatóknak még egy-két évre van szükségük ahhoz, hogy elemezzék a 14 méteres pályán végzett vizsgálat összes eredményét. Ha az eredmények nem változnak, az jelentős felfedezésnek számít, mondta Venanzoni.

A világ legnagyobb atomütköztetőjében, a CERN-nél a fizikusok protonokat ütköztetnek egymással, hogy lássák, mi történik utána. A részecskeütköztető egyik különálló kísérlete azt méri, hogy mi történik, amikor a szépséges vagy alsó kvarknak nevezett részecskék összeütköznek.

A standard modell azt jósolja, hogy ezeknek a szépséges kvark ütközéseknek azonos számú elektront és müont kell eredményezniük. Ez olyan, mintha 1000-szer feldobnánk egy érmét, és körülbelül ugyanannyi fej és írás lenne, mondta Chris Parkes, a Nagy Hadronütköztető kísérletének vezetője. (2)

De nem ez történt.

A kutatók áttanulmányozták a több év és a néhány ezer ütköztetés adatait, és 15%-os különbséget találtak lényegesen több elektronnal, mint müonokkal, mondta Sheldon Stone, a Syracuse Egyetem kísérleti kutatója. (3)

Egyik kísérletet sem nevezik hivatalos felfedezésnek, mert még mindig van egy kicsi esély arra, hogy az eredmények statisztikai furcsaságok. A kutatások többszöri - mindkét esetben tervezett - futtatása egy-két év alatt elérheti a fizika hihetetlenül szigorú statisztikai követelményeit, hogy felfedezésként értékeljék a kutatók.

Ha az eredmények megmaradnak, akkor a részecskefizika világában "minden más számítást" a feje tetejére állítanak, mondta Kaplan.

"Ez nem egy hamis tényező. Ez valami probléma," - mondta Kaplan. Ez olyasvalami, ami egy új részecskével vagy erővel magyarázható.

Vagy ezek az eredmények hibák lehetnek. 2011-ben egy furcsa megállapítás, miszerint a neutrínó nevű részecske a fénynél gyorsabbnak tűnt, fenyegette a modellt, de kiderült, hogy a kísérlet során laza elektromos csatlakozási probléma következett be.

"Ellenőriztük az összes kábelcsatlakozásunkat, és mindent megtettünk az adatok ellenőrzése érdekében," - mondta Stone. "Kicsit magabiztosak vagyunk, de soha nem lehet tudni." (4)

(1) - https://home.cern/news/news/physics/
(2) - https://lhcb-public.web.cern.ch/Welco
(3) - https://arxiv.org/pdf/2103.11769.pdf
(4) - https://phys.org/news/2021-04-tantali