Οι επιστήμονες έκαναν λάθος σχετικά με αυτά τα σωματίδια που «παραβιάζουν τους κανόνες».

Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο περιοδικό η φύσηπεριγράφει έναν από τους πιο ακριβείς υπολογισμούς φυσικής σωματιδίων που έχουν γίνει ποτέ. Η εργασία τους έδειξε ότι η μακροχρόνια ασυμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος ήταν πιθανό να οφείλεται σε περιορισμούς προηγούμενων υπολογισμών και όχι σε στοιχεία άγνωστης φυσικής.

Δεκαετίες ελπίδας για τη «νέα φυσική».

Το μυστήριο επικεντρώνεται στο μιόνιο, ένα βραχύβιο σωματίδιο παρόμοιο με ένα ηλεκτρόνιο αλλά περίπου 200 φορές πιο μαζικό. Για περισσότερα από 60 χρόνια, οι μετρήσεις της μαγνητικής συμπεριφοράς του μιονίου φαινόταν να διαφωνούν με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου, το πλαίσιο που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για να περιγράψουν τα θεμελιώδη σωματίδια και τις ενέργειες του σύμπαντος.

Αυτή η ασυμφωνία ενθουσίασε τους φυσικούς επειδή έδειξε την πιθανότητα άγνωστων σωματιδίων ή ακόμα και μιας νέας «πέμπτης δύναμης» πέρα ​​από τις τέσσερις γνωστές θεμελιώδεις δυνάμεις.

«Υπήρξαν πολλοί υπολογισμοί τα τελευταία 60 χρόνια, και όσο πιο ακριβείς ήταν όλοι, τόσο περισσότερο υποδεικνύουν μια ανωμαλία και μια νέα αλληλεπίδραση που αψηφά τους γνωστούς νόμους της φυσικής», δήλωσε ο Zoltan Fodor, διακεκριμένος καθηγητής Φυσικής στο Πεν Στέιτ και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. “Εφαρμόσαμε μια νέα μέθοδο για να ποσοτικοποιήσουμε αυτήν την απόκλιση και δείξαμε ότι δεν υπάρχει. Αυτή η νέα αλληλεπίδραση δεν υπάρχει όπως περιμέναμε. Οι παλιές αλληλεπιδράσεις μπορούν να εξηγήσουν πλήρως την αξία.”

Η ομάδα πέρασε περισσότερο από μια δεκαετία για να βελτιώσει τους υπολογισμούς. Τα τελικά αποτελέσματά τους φέρνουν σε συμφωνία τις θεωρητικές προβλέψεις και τις πειραματικές μετρήσεις σε λιγότερο από το μισό τυπική απόκλιση. Σύμφωνα με τον Fodor, η νέα εργασία επιβεβαιώνει το Καθιερωμένο μοντέλο με 11 δεκαδικά ψηφία και περιορίζει σημαντικά την πιθανότητα να κρύβεται άγνωστη φυσική στη συγκεκριμένη μέτρηση.

«Οι άνθρωποι με ρωτούν πώς νιώθω να κάνω αυτή την ανακάλυψη και για να είμαι ειλικρινής, νιώθω λίγο λυπημένος», είπε ο Fodor. “Όταν ξεκινήσαμε να υπολογίζουμε αυτή την ποσότητα, σκεφτήκαμε ότι θα κάνουμε έναν καλό και πιστό υπολογισμό για μια νέα πέμπτη μπάλα. Αντίθετα, διαπιστώσαμε ότι δεν υπάρχει πέμπτη μπάλα. Βρήκαμε όχι μόνο μια πολύ ακριβή απόδειξη του Καθιερωμένου Μοντέλου, αλλά και της κβαντικής θεωρίας πεδίου, τη βάση πάνω στην οποία χτίστηκε το Καθιερωμένο Μοντέλο.”

Παράξενη μαγνητική συμπεριφορά του μιονίου

Η έρευνα επικεντρώθηκε σε μια ιδιότητα γνωστή ως μαγνητική ροπή του μιονίου, η οποία περιγράφει πόσο έντονα το σωματίδιο δρα σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης. Η κβαντική θεωρία προβλέπει ότι η τιμή πρέπει να είναι ακριβώς ίση με δύο, αντιπροσωπεύοντας τη σχέση μεταξύ των ταλαντώσεων του σωματιδίου και του μαγνητικού πεδίου γύρω από αυτό.

Σε πραγματικά πειράματα, ωστόσο, οι τιμές αλλάζουν ελαφρώς καθώς άλλα σωματίδια εμφανίζονται για λίγο και εξαφανίζονται στον κενό χώρο, επηρεάζοντας διακριτικά τη συμπεριφορά του μιονίου. Αυτή η μικρή απόκλιση είναι γνωστή ως «εξαιρετική μαγνητική ροπή» ή g−2.

Επειδή τα μιόνια είναι πολύ βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια, είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε αυτά τα παροδικά κβαντικά φαινόμενα. Αυτή η ευαισθησία κάνει το μιόνιο g−2 μία από τις πιο εντατικά μελετημένες μετρήσεις στη σύγχρονη φυσική.

Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο CERN τις δεκαετίες του 1960 και του 1970, αργότερα στο Εθνικό Εργαστήριο Μπρούκχαβεν και πιο πρόσφατα στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Φέρμι, όλα μέτρησαν τη μαγνητική ροπή του μιονίου με αξιοσημείωτη ακρίβεια. Αυτά τα πειράματα κέρδισαν πρόσφατα το Breakthrough Prize in Fundamental Physics, ένα από τα πιο διάσημα επιστημονικά βραβεία στον κόσμο.

Με τα χρόνια, οι πειραματικές μετρήσεις συνέχισαν να φαίνονται ασυνεπείς με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου, ενισχύοντας τις ελπίδες ότι κάτι εντελώς νέο θα μπορούσε να επηρεάζει το μιόνιο.

Γιατί οι ισχυρές δυνάμεις κάνουν το πρόβλημα τόσο δύσκολο;

Η πρόκληση του υπολογισμού της συμπεριφοράς των μιονίων προέρχεται κυρίως από την ισχυρή δύναμη, την ισχυρότερη από τις τέσσερις γνωστές θεμελιώδεις δυνάμεις. Η ισχυρή δύναμη συνδέει τα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια, τα νετρόνια και άλλα σωματίδια.

Σε αντίθεση με τη βαρύτητα ή τον ηλεκτρομαγνητισμό, η ισχυρή δύναμη γίνεται ισχυρότερη καθώς τα σωματίδια απομακρύνονται, όπως ένα λάστιχο που σφίγγει όσο περισσότερο τεντώνεται. Η προσπάθεια διαχωρισμού των σωματιδίων που συγκρατούνται μεταξύ τους από ισχυρές δυνάμεις απαιτεί τόση πολλή ενέργεια που μπορούν να δημιουργηθούν εντελώς νέα σωματίδια στη διαδικασία. Αυτά τα επιπλέον σωματίδια κάνουν τον υπολογισμό πιο περίπλοκο.

Λόγω αυτής της εξαιρετικής πολυπλοκότητας, η ακριβής πρόβλεψη της συμπεριφοράς των μιονίων στο Καθιερωμένο Μοντέλο παραμένει ένα από τα πιο δύσκολα προβλήματα στη σωματιδιακή φυσική.

Υπερυπολογιστές και Κβαντική Χρωμοδυναμική Πλέγματος

Για να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα, οι ερευνητές βασίστηκαν στην κβαντική χρωμοδυναμική πλέγματος, μια υπολογιστική τεχνική που προσομοιώνει την ισχυρή δύναμη χρησιμοποιώντας τεράστιους υπερυπολογιστές. Η μέθοδος διαιρεί τον χώρο και τον χρόνο σε ένα πολύ λεπτό πλέγμα ή πλέγμα, το οποίο επιτρέπει στους επιστήμονες να λύσουν αριθμητικά τις εξισώσεις που διέπουν τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων.

«Η παλιά μέθοδος περιλάμβανε τη συλλογή χιλιάδων πειραματικών αποτελεσμάτων και την επανερμηνεία τους για να ληφθεί ένας μόνο αριθμός, η μαγνητική ροπή του μιονίου», είπε ο Fodor. “Η προσέγγισή μας ήταν εντελώς διαφορετική. Διαχωρίσαμε τον χωροχρόνο σε πολύ μικρά κελιά, ένα πλέγμα, και στη συνέχεια λύσαμε τις εξισώσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου σε αυτό. Υπήρχε τρομερή πολλή θεωρία, μαθηματικά, προγραμματισμός, υπολογιστικές γνώσεις και αρχιτεκτονική υπολογιστών πίσω από αυτούς τους υπολογισμούς.”

Την τελευταία δεκαετία, οι υπολογισμοί του πλέγματος έγιναν όλο και πιο ισχυροί, αλλά η επίτευξη της απαιτούμενης ακρίβειας για τους υπολογισμούς του μιονίου g−2 ήταν εξαιρετικά δύσκολη. Επομένως, η ομάδα συνδυάζει διαφορετικές προσεγγίσεις.

Χρησιμοποίησαν υπολογισμούς πλέγματος για μικρές και μεσαίες αποστάσεις μεταξύ των κυψελών, ενώ ενσωμάτωσαν πολύ αξιόπιστες πειραματικές μετρήσεις για μεγαλύτερες αποστάσεις όπου τα υπάρχοντα δεδομένα συμφωνούσαν ήδη έντονα. Αυτή η υβριδική στρατηγική μείωσε την αβεβαιότητα πιο αποτελεσματικά από το να βασιστεί κανείς σε οποιαδήποτε μέθοδο και μόνο.

Οι ερευνητές προσομοίωσαν τις εξισώσεις χρησιμοποιώντας ένα λεπτότερο πλέγμα από προηγούμενες μελέτες, βελτιώνοντας περαιτέρω την ακρίβεια και μειώνοντας τα πιθανά σφάλματα.

Ο τελικός υπολογισμός αντιπροσωπεύει τον πιο ακριβή προσδιορισμό της μαγνητικής ροπής του μιονίου. Όταν ενσωματωθούν πλήρως οι προβλέψεις του τυπικού μοντέλου, οι μακροχρόνιες διαφωνίες με το πείραμα σε μεγάλο βαθμό εξαφανίζονται.

«Η πρόβλεψη συνδυάζει τις ηλεκτρομαγνητικές, αδύναμες και ισχυρές δυνάμεις, καθεμία από τις οποίες απαιτεί πολύ διαφορετικά θεωρητικά εργαλεία, σε έναν ενιαίο υπολογισμό που είναι ακριβής σε μέρη ανά δισεκατομμύριο», είπε ο Fodor. «Δείχνει ότι καταλαβαίνουμε πραγματικά πώς λειτουργεί η φύση σε ένα απίστευτα βαθύ επίπεδο».

Τι σημαίνουν τα αποτελέσματα για τη φυσική

Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα ευρήματα δεν αποκλείουν εντελώς την πιθανότητα μη ανακαλυφθείσας φυσικής. Ωστόσο, μία από τις ισχυρότερες δυνατές ενδείξεις που δείχνουν έξω από το τυπικό μοντέλο έχει πλέον γίνει πολύ λιγότερο πειστική.

Μελλοντικά πειράματα μπορεί ακόμη να αποκαλύψουν στοιχεία για νέα σωματίδια ή ενέργεια αλλού, αλλά προς το παρόν, το Καθιερωμένο Μοντέλο συνεχίζει να αντέχει σε έντονο έλεγχο.

«Δεν βρήκαμε την πέμπτη μπάλα, αλλά βρήκαμε μια πολύ όμορφη και ίσως την καλύτερη απόδειξη της κβαντικής θεωρίας, η οποία είναι η θεωρία που αποτελεί τη βάση όλης της κατανόησής μας για τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα της φύσης», είπε ο Fodor.

Το τμήμα της έρευνας στο Penn State υποστηρίχθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας.