De ce unii fizicieni se îndoiesc de experimentul cu muoni care sugerează „fizica nouă”

Unul dintre cele mai mici lucruri din univers ar fi putut schimba tot ce știm despre el.

Laboratorul Național de Accelerare Fermi al Departamentului SUA pentru Energie (Fermilab) din Illinois a dezvăluit miercuri rezultatele mult așteptate ale unui experiment de fizică a particulelor stocate cunoscut sub numele de Muon g-2. Rezultatele bizare, care au arătat ceva foarte diferit de ceea ce prevedeau teoriile standard, i-au șocat pe fizicienii din întreaga lume – și, dacă sunt confirmați, sugerează că teoriile fizice fundamentale pot fi greșite.

„Acesta este momentul în care nava spațială aterizează pe Marte”, a spus fizicianul Fermilab, Chris Polley Spune New York Times pentru rezultate.

Date publicate în jurnal Scrisori de recenzie fizică, El a arătat că particulele fundamentale numite muoni se comportă într-un mod care nu este prevăzut de modelul standard al fizicii particulelor. Modelul standard este teoria etalonului aur care explică cele patru forțe cunoscute din univers și toate particulele fundamentale. Modelul standard a prezis chiar existența Bosonului Higgs cu zeci de ani înainte de a fi descoperit experimental în 2012.

„Aceasta este o dovadă puternică că muonul este sensibil la ceva ce nu se află în cele mai bune teorii ale noastre”, a spus Renee Fatimi, fizician la Universitatea din Kentucky și director de simulare pentru experimentul Muon g-2. Într-un comunicat de presă.

Particulele menționate anterior, cunoscute sub numele de muoni, se comportă ciudat atunci când sunt expuse la un câmp magnetic puternic într-un fermilab. Acest rezultat ciudat poate fi rezultatul unei noi particule fundamentale, dar nedescoperite – care va da probabil un schimb în tot ceea ce oamenii știu despre fizică.

Dar nu toți fizicienii cumpără rezultatele. Motivul este parțial legat de un număr numit sigma.

În căutarea sigmei

În fizică, la fel ca în majoritatea științelor care implică experimente, rezultatele experimentale se disting printr-un număr, Sigma, Aceasta transmite probabilitatea ca rezultatul menționat să fie o șansă aleatorie.

Să presupunem că ați formulat o teorie spunând că monedele vor apărea întotdeauna clar, apoi rulați un experiment în care întoarceți o monedă de 100 de ori și vedeți că moneda dvs. va apărea de fiecare dată. S-ar putea întâmpla de fapt – de fapt, s-ar întâmpla o dată la o mie de ori – dar rezultatele tale, deși șocante la început, nu vor provoca o regândire a teoriei întoarcerii monedei. Acest lucru se datorează faptului că volatilitatea de 100 nu este suficientă pentru ca studiile să justifice un număr sigma care ar denota o condiție „adevărată fără o îndoială”. Acest lucru va necesita un așa-numit scor 5 sigma, care corespunde unei probabilități de 1 din 30 de milioane ca experiența dvs. să fie o întâmplare.

Experimentul Fermilab cu muoni a fost o continuare a unui experiment efectuat la Laboratorul Național Brookhaven în 2001, care a avut o semnificație de aproximativ 3,7 sigma. În combinație cu rezultatele Fermilab, valoarea sigma a crescut la 4,2 sigma; 5 este etalonul de aur pentru ca oamenii de știință să pretindă o nouă descoperire.

Cu alte cuvinte, experimentul Muon g-2 nu a atins nivelul standard de aur de cinci sigma.

Odată ajuns într-un muon albastru

În ciuda faptului că este una dintre cele douăsprezece particule de bază din univers, muonii sunt rar văzuți; Au proprietăți similare cu electronii de zi cu zi, prin faptul că poartă o sarcină și totuși au o masă mult mai mare decât omologii lor electronici. Muonii au o durată de viață foarte scurtă: după ce sunt creați în coliziuni cu energie ridicată, cum ar fi atunci când razele cosmice lovesc atmosfera Pământului, acestea se degradează în medie cu 1,56 microsecunde mai târziu. Este unul dintre marile mistere ale fizicii că unele dintre particulele fundamentale ale universului nu vor fi echipate pentru a supraviețui în acest univers.

Similar cu vărul său de electroni, muonii au un magnetism intern; Ca orice magnet, acesta poate fi manipulat și refăcut în prezența câmpurilor magnetice. Acceleratoarele de particule din Fermilab pot produce muoni în cantități mari, ceea ce au făcut cercetătorii de la Fermilab pentru experimentul Muon g-2 – au urmărit modul în care muonii interacționează într-un accelerator de particule în prezența unui câmp magnetic puternic.

Într-un astfel de câmp magnetic, muonul oscilează într-un mod care este determinat de un număr intrinsec cunoscut sub numele de factor g. Acest număr se schimbă în funcție de mediul muonului și de interacțiunile cu alte particule. Muon g-2 este conceput pentru a măsura factorul g al unui muon cu o precizie foarte mare.

Pur și simplu, ceea ce s-a întâmplat în experimentul Muon g-2 este că rezultatul așteptat este diferit de ceea ce dictează teoria. Pe hârtie, discrepanța pare minimă. Conform modelului standard, un factor g acceptabil pentru un muon este 2.00233183620. Dar noul experiment a dat rezultate la 2.00233184122 – o diferență de 0.00000000502.

Poate sună mic. Dar pentru o teorie care a prezis cu acuratețe proprietățile particulelor în număr mai mare de atât, discrepanța este imensă.

„Această cantitate pe care o măsurăm reflectă interacțiunile muonului cu orice altceva din univers”, a spus Fatemi. „Dar când teoreticienii calculează aceeași cantitate, folosind toate forțele și particulele cunoscute în Modelul Standard, nu primim același răspuns”.

Un nor de muon, un bob de sare

Cu toate acestea, în ciuda entuziasmului echipei Fermilab, unii fizicieni sunt prudenți cu privire la rezultate.

„Există foarte puține îndoieli care au fost exprimate”, spune Bruce Schum, profesor de fizică la Universitatea California-Santa Cruz și autor al Cartea populară Pe formularul standard, a spus el salonului. Shum a confirmat până acum succesul modelului standard. El a menționat că „atunci când măsurați și comparați prognozele pe baza a tot ceea ce știm – modelul standard – există puține îngrijorări cu privire la faptul că este posibil ca acest calcul să nu fi fost făcut corect.”

Avi Loeb, fostul președinte al departamentului de astronomie de la Universitatea Harvard, a fost mai optimist cu privire la rezultate – dar, a remarcat el, cu prudență.

„Măsurarea este interesantă, dar semnificația sa statistică de 4,2 SD nu a atins standardul de aur din datele fizicii particulelor de 5”, a declarat Loeb lui Salon prin e-mail. „De asemenea, nu este clar dacă anomalia reprezintă o nouă fizică sau un greșit de calcul teoretic; aproximativ o jumătate de duzină de grupuri teoretice calculează valoarea așteptată și incertitudinile teoretice ascund importanța contradicției.”

„De-a lungul anilor, multe anomalii par să dispară, lăsând neschimbat Modelul Standard al fizicii particulelor”, a adăugat Loeb.

Acest lucru este adevărat și vorbește despre eficacitatea modelului standard. O anomalie anterioară a apărut în 2018, care este Experiență – a făcut experimente Ceea ce presupunea atașarea muonilor la protoni, apoi măsurarea razei unui proton a dus la un rezultat ciudat pentru un proton. Lățimea protonului observată, legată de muon, a fost cu aproximativ 4% mai scurtă decât se aștepta. Unii fizicieni au speculat că rezultatul ar putea fi explicat prin „fizică nouă” – dimensiuni non-spațiale, noi particule fundamentale sau ceva similar. Studii viitoare S-au găsit valori mai apropiate de cele așteptate pentru lățimea protonului; Dar acestea nu aveau valorile sigma pentru a fi finale. Începând cu 2020, juriul este încă în afara, dar fizica nouă pare mai puțin probabilă.

În ceea ce privește rezultatele Muon g-2, Shum a spus că fizicienii știu că pare să existe un „efect nou” cu muoni în acest moment. Dar asta nu înseamnă că au fost descoperite noi particule – încă.

„Dacă există un nou efect, tot ce știm este că este probabil să existe o nouă particulă care poate fi detectată asociată cu acest efect”, a spus Shum.

Ar putea fi modelul standard încă greșit?

„Aceasta este cu siguranță o exagerare pentru a spune că Modelul Standard este amenințat”, a spus Shum. „Modelul standard a fost întotdeauna cunoscut, din ziua în care a fost inventat, ca ceea ce se numește„ teoria eficientă ”. Shum a comparat modelul standard cu„ vârful unui aisberg ”, în care vârful este observat și bine înțeles chiar dacă nu știm exact ce se află sub apă.suma de bani [the Standard Model] Nu va cădea niciodată ca o reprezentare a acelui vârf al unui aisberg. „

Shum a comparat acest scenariu cu relația dintre legile lui Newton și Teoria relativității a lui Einstein Arătând că Albert Einstein nu a ignorat legile lui Newton, ci a construit pe ele. Cu alte cuvinte, dacă există o particulă nouă, este puțin probabil ca modelul standard să fie aruncat deoparte, ci mai degrabă construit.

Atenție deoparte, dacă discrepanța este confirmată de viitoarele experimente, nu numai că va schimba fizica, ci ne poate îmbunătăți înțelegerea universului – și chiar poate explica fenomene inexplicabile precum Materie întunecată, Care poate fi legat de Particule nedescoperite.

„Dacă paradoxul este dovedit prin îmbunătățiri viitoare în date experimentale și calcule teoretice, atunci noile particule implicate pot fi asociate cu materia întunecată din univers”, a spus Loeb. „În acest moment, nu cunoaștem natura majorității materiei din univers. Cunoașterea acestui lucru ne va ajuta să înțelegem cum galaxiile precum Calea Lactee au fost grupate de-a lungul istoriei cosmice.”

Doriți mai multe povești despre sănătate și știință în căsuța de e-mail? Abonați-vă la newsletterul săptămânal al salonului Lumea vulgară.