Οι φυσικοί πέρασαν τα τελευταία 20 χρόνια εξετάζοντας μια προφανή απόκλιση μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων και των θεωρητικών προβλέψεων για τις μαγνητικές ιδιότητες του μιονίου (του βαρύτερου «ξαδέρφου» του ηλεκτρονίου) – μια αναντιστοιχία που άφηνε υπόνοιες για την ύπαρξη μιας πιθανής πέμπτης δύναμης στη φύση.
Ωστόσο, σύμφωνα με μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, η απόκλιση αυτή οφείλεται σε ένα υπολογιστικό σφάλμα και όχι σε κάποια συναρπαστική νέα φυσική. Αυτό σημαίνει ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής παραμένει ισχυρό.
«Έγιναν πολλοί υπολογισμοί τα τελευταία 60 περίπου χρόνια και, καθώς γίνονταν όλο και πιο ακριβείς, όλοι έδειχναν προς μια απόκλιση και μια νέα αλληλεπίδραση που θα ανέτρεπε τους γνωστούς νόμους της φυσικής», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Zoltan Fodor, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Penn State.
«Εφαρμόσαμε μια νέα μέθοδο για να υπολογίσουμε αυτή την ποσότητα απόκλισης και δείξαμε ότι δεν υφίσταται. Αυτή η νέα αλληλεπίδραση που ελπίζαμε απλώς δεν υπάρχει. Οι παλιές αλληλεπιδράσεις μπορούν να εξηγήσουν την τιμή πλήρως».
Σημειώνεται ότι το μιόνιο (μέλος της κατηγορίας των λεπτονίων) είναι ο βαρύτερος «ξάδερφος» δεύτερης γενιάς του ηλεκτρονίου -το ταυ (τ) είναι ο ξάδερφος τρίτης γενιάς- και αυτό καθιστά τα μιόνια ιδιαίτερα ευαίσθητα στα εικονικά σωματίδια που εμφανίζονται και εξαφανίζονται στο κβαντικό κενό, καθώς μπορούν να αλληλεπιδράσουν στιγμιαία μαζί τους. Τα μιόνια είναι ξεχωριστά για τους φυσικούς επειδή είναι αρκετά ελαφριά ώστε να υπάρχουν σε αφθονία, αλλά και αρκετά βαριά ώστε να χρησιμοποιούνται πειραματικά για τη διερεύνηση της ακρίβειας του Καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής.
Η μαγνητική ροπή και το “g-2”
Το μιόνιο διαθέτει έναν εσωτερικό μαγνήτη και μια στροφορμή (spin). Το “g” (η «σταθερά αναλογίας») αναφέρεται στον λόγο μεταξύ της ισχύος του εσωτερικού μαγνήτη και του ρυθμού περιστροφής.
Κανονικά, ο μαγνήτης του μιονίου θα περιστρεφόταν για να ευθυγραμμιστεί με τον άξονα του μαγνητικού πεδίου, όπως ακριβώς κάνει μια πυξίδα στο μαγνητικό πεδίο της Γης.
Ωστόσο, λόγω της στροφορμής του μιονίου, αυτό δεν συμβαίνει. Αντίθετα, το πεδίο ασκεί μια ροπή στη στροβιλιζόμενη μαγνητική ροπή του μιονίου, αναγκάζοντάς το να εκτελεί μετάπτωση γύρω από τον άξονα του πεδίου.
Επειδή το μιόνιο μπορεί να αλληλεπιδράσει με εικονικά σωματίδια, η τιμή του g διαφέρει από την κλασική τιμή «2» κατά περίπου 0,1%, γι’ αυτό και τεχνικά ονομάζεται ανώμαλη μαγνητική ροπή του μιονίου.
Συναρπαστικές ενδείξεις
Το πείραμα Muon g-2 (προφέρεται «g μείον δύο») έχει σχεδιαστεί για να αναζητήσει δελεαστικές ενδείξεις φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ακριβών μετρήσεων της «ταλάντευσης» (wobble) που συμβαίνει όταν ένα μιόνιο τοποθετείται σε μαγνητικό πεδίο, ως απόκριση στα εικονικά σωματίδια που εμφανίζονται και εξαφανίζονται.
Εάν η τιμή της ταλάντευσης διαφωνεί με την ακριβή πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου, αυτό αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι μπορεί να εμπλέκεται κάποια νέα φυσική. Το τελικό αποτέλεσμα, που ανακοινώθηκε το 2006, εντόπισε μια ενδιαφέρουσα απόκλιση: η μετρούμενη μαγνητική ροπή του μιονίου βρέθηκε να είναι μικρότερη από την προβλεπόμενη.
Η σημασία των “Sigma”
Ακόμη πιο ενδιαφέρον ήταν ότι το αποτέλεσμα αυτό κρίθηκε ως φαινόμενο 3,7 σίγμα (sigma). Η ισχύς ενός σήματος καθορίζεται από τον αριθμό των τυπικών στατιστικών αποκλίσεων (σίγμα) από το αναμενόμενο υπόβαθρο στα δεδομένα.
Ένα αποτέλεσμα 3 σίγμα θεωρείται ισχυρή ένδειξη. Το «χρυσό πρότυπο» για την ανακήρυξη μιας ανακάλυψης είναι το αποτέλεσμα 5 σίγμα (συγκρίσιμο, για παράδειγμα, με το να φέρει κανείς «κορώνα» 21 φορές στη σειρά σε ρίψη νομίσματος).
Αν και τα αποτελέσματα 3 σίγμα είναι δελεαστικά, εμφανίζονται συχνά στη σωματιδιακή φυσική και τις περισσότερες φορές εξαφανίζονται όταν προστεθούν περισσότερα δεδομένα. Έτσι, το Fermilab αναβίωσε το πείραμα Muon g-2 με την ελπίδα είτε να επιβεβαιώσει είτε να διαψεύσει την απόκλιση.
Οι φυσικοί του Fermilab ολοκλήρωσαν την αρχική ανάλυση των δεδομένων από το ενημερωμένο πείραμα, δείχνοντας «εξαιρετική συμφωνία» με την απόκλιση που είχε καταγράψει το Brookhaven. Συνδυαστικά, τα αποτελέσματα ανέβασαν τη στατιστική σημαντικότητα στα 4,2 σίγμα – φτάνοντας ακριβώς στο κατώφλι που απαιτείται για μια επίσημη ανακάλυψη. Τα πειράματα αυτά έλαβαν πρόσφατα το βραβείο Breakthrough Prize στη Θεμελιώδη Φυσική.
Μία νέα προσέγγιση
Αυτή η τελευταία μέτρηση επικεντρώνεται στις επιδράσεις της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, και συγκεκριμένα στην «πόλωση του αδρονικού κενού», η οποία προκύπτει καθώς τα κουάρκ και τα γλουόνια αλληλεπιδρούν στο πλαίσιο της θεωρίας της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής (QCD). Οι συγγραφείς υιοθέτησαν μια υβριδική προσέγγιση, συνδυάζοντας ισχυρές προσομοιώσεις σε υπολογιστές μεγάλης κλίμακας με πειραματικά δεδομένα.
«Η παλιά μεθοδολογία περιελάμβανε τη συλλογή χιλιάδων πειραματικών αποτελεσμάτων και την επανερμηνεία τους για να προκύψει ένας και μόνο αριθμός, η μαγνητική ροπή του μiονίου», δήλωσε ο Fodor. «Η δική μας προσέγγιση ήταν εντελώς διαφορετική. Χωρίσαμε τον χωροχρόνο σε πολύ μικρά κελιά, ένα πλέγμα , και στη συνέχεια λύσαμε τις εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου πάνω σε αυτό. Υπήρχε τεράστιος όγκος θεωρίας, μαθηματικών, προγραμματισμού, υπολογιστικής γνώσης και αρχιτεκτονικής υπολογιστών πίσω από αυτόν τον υπολογισμό».
Το αποτέλεσμα: Μια νίκη της καθιερωμένης θεωρίας
Χρειάστηκαν 10 χρόνια για να ολοκληρωθούν αυτοί οι περίπλοκοι υπολογισμοί. Όταν τελείωσαν, ο Fodor και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι τα αποτελέσματά τους συμφωνούσαν με το Καθιερωμένο Πρότυπο με απόκλιση μικρότερη από μισή τυπική απόκλιση και ακρίβεια έως και 11 δεκαδικά ψηφία.
Είναι ο πιο ακριβής υπολογισμός που έχει επιτευχθεί ποτέ, με ακρίβεια σε επίπεδο μερών ανά δισεκατομμύριο (ppb). Αν και τα αποτελέσματα δεν αποκλείουν εντελώς την πιθανότητα νέας φυσικής, όπως μιας πέμπτης δύναμης, περιορίζουν σημαντικά τα πεδία όπου θα μπορούσε να «κρύβεται» κάτι τέτοιο.
Μια «γλυκόπικρη» ανακάλυψη
«Ο κόσμος με ρωτάει πώς νιώθω για αυτή την ανακάλυψη και, για να είμαι ειλικρινής, νιώθω κάπως λυπημένος», δήλωσε ο Fodor. «Όταν ξεκινήσαμε να υπολογίζουμε αυτή την ποσότητα, πιστεύαμε ότι θα είχαμε έναν καλό και αξιόπιστο υπολογισμό για μια νέα πέμπτη δύναμη. Αντίθετα, διαπιστώσαμε ότι δεν υπάρχει πέμπτη δύναμη. Βρήκαμε, όμως, μια πολύ ακριβή απόδειξη όχι μόνο του Καθιερωμένου Προτύπου, αλλά και της Κβαντικής Θεωρίας Πεδίου, η οποία είναι το θεμέλιο πάνω στο οποίο χτίστηκε το Καθιερωμένο Πρότυπο».