Miony w Fermilab

Miony znów rozrabiają w Fermilabie

Świeżo opublikowane wyniki eksperymentu Muon g‑2 po raz kolejny dowiodły wyjątkowej niesforności mionów. Wiele wskazuje na to, że teoretykom wkrótce przybędzie kilka siwych włosów.

Roz­bież­ność tę należy zrozumieć.

Zoltan Fodor

Historia anomalii o której mowa, roz­po­częła się dwie dekady temu na Long Island. Pra­cow­nicy tam­tej­szego Bro­okha­ven National Labo­ra­tory pro­wa­dzili skru­pu­latne badania nad mionem, czyli jednym z trzech znanych rodzajów leptonów. Tym czy­tel­ni­kom, którzy nie są zorien­to­wani w fizyce cząstek ele­men­tar­nych, już śpieszę ze skró­to­wym wyjaśnieniem. 

Nasza dotych­cza­sowa wiedza na temat obiektów sub­a­to­mo­wych pozo­staje usys­te­ma­ty­zo­wana w tabelce nazy­wa­nej modelem stan­dar­do­wym. Można o nim myśleć jak o odpo­wied­niku układu okre­so­wego, tyle że sze­re­gu­ją­cego nie pier­wiastki, lecz kil­ka­na­ście cząstek uwa­ża­nych za naj­bar­dziej fun­da­men­talne cegiełki znanej nam fizycz­nej rzeczywistości. 

Naukowcy dzielą cząstki na różne wymyślne sposoby. Inte­re­su­jące nas miony należą do rodziny leptonów i zwykle spotkamy je wci­śnięte pomiędzy elek­trony i taony. Nie­przy­pad­kowo, albowiem te trzy cząstki łączy wła­ści­wie wszystko, z jednym wyjąt­kiem – dia­me­tral­nie różnej masy. Naj­pow­szech­niej­szy, obecny w atomach naszych ciał elektron “waży” 0,51 MeV (mega­elek­tro­no­wolta), podczas gdy jego krew­niacy odpo­wied­nio 105 (mion) oraz 1780 MeV (taon). Nasz mikro­bo­ha­ter jest więc leptonem drugiej gene­ra­cji, o wiele masyw­niej­szym warian­tem elek­tronu i jed­no­cze­śnie wychu­dzo­nym odpo­wied­ni­kiem taonu.

Miony w modelu standardowy
Miony w modelu stan­dar­do­wym zajmuje miejsce pomiędzy elek­tro­nami a taonami.

Pomiary prze­pro­wa­dzone na początku tego stulecia w Bro­okha­ven National Labo­ra­tory doty­czyły momentu magne­tycz­nego mionu. Chociaż bez­wy­mia­rowe i kwantowe byty z zasady nie przy­po­mi­nają znanych nam obiektów, dla uła­twie­nia możemy je trak­to­wać jak maleńkie wirujące magnesy. Fizykom zależy na dokład­nym poznaniu zacho­wa­nia tych magne­si­ków w zewnętrz­nym polu magne­tycz­nym – co ozna­czają jako czynnik g.

Od razu zwracam tu uwagę, że badanie mikro­świata, zwykle prze­biega dwu­to­rowo. Z jednej strony teo­re­tycy, wypo­sa­żeni w tablice, kredy, super­kom­pu­tery i tęgie mózgi wyli­czają wartości jakie powinny wynikać z innych już pozna­nych liczb i praw natury. Z drugiej, eks­pe­ry­men­ta­to­rzy obsłu­gu­jący gigan­tyczne warte miliardy dolarów detek­tory, starają się uzyskać pomiar tychże wartości empi­rycz­nie. Świetnym przy­kła­dem są tu dawne prace nad elek­tro­nem. Najpierw teo­re­tycy uzyskali rezultat g=2,00231930438, który jakiś czas później został podparty przez ich kolegów z labo­ra­to­riów wynikiem g=2,00231930436. Gdy­by­ście nie zauwa­żyli: zgodność teorii z eks­pe­ry­men­tem sięgnęła wtedy jede­na­stu miejsc po prze­cinku. Jeżeli nie sie­dli­ście z wrażenia, to praw­do­po­dob­nie tylko dlatego, że już siedzicie.

W przy­padku mionu nie było już tak kolorowo. Współ­czyn­nik g dla masyw­niej­szego leptonu również wynosił w zaokrą­gle­niu 2, jednak dane eks­pe­ry­men­talne z Bro­okha­ven, w tym przy­padku zbyt wyraźnie odbie­gały od prze­wi­dy­wań pły­ną­cych z modelu stan­dar­do­wego. O ile przedtem mówi­li­śmy o zbież­no­ści do 11 miejsca po prze­cinku, o tyle przy mionie dysonans między teorią a praktyką ujawniał się już na miejscu ósmym. Może wydawać się wam, że to niewiele, ale część fizyków cząstek zaczęła straszyć dzieci widmem anomalii g‑2.

Życie toczyło się dalej, w ocze­ki­wa­niu na obja­wie­nie nowych infor­ma­cji, które pomo­głyby jakoś ugryźć iry­tu­jącą zagwozdkę. Sprawę w swoje ręce wziął chi­ca­gow­ski Fermilab, roz­wi­ja­jący projekt Muon g‑2. Fizycy pragnęli osiągnąć czte­ro­krot­nie większą precyzję niż dotych­czas, przy wyko­rzy­sta­niu pier­ście­nia magne­tycz­nego o średnicy 15 metrów. Nie­któ­rych może dziwić, dlaczego Ame­ry­ka­nie operują na tak skromnym urzą­dze­niu, w porów­na­niu do wie­lo­ki­lo­me­tro­wego tunelu LHC czy cho­ciażby dawnego Teva­tronu. Rzecz w tym, że ramach Muon g‑2 nie zderzano cząstek, a jedynie je roz­pę­dzano i mierzono ich chy­bo­ta­nie w polu magne­tycz­nym. Przez dwa lata zare­je­stro­wano ponad 8 miliar­dów zdarzeń, ana­li­zo­wa­nych następ­nie przez 35 insty­tu­cji w siedmiu krajach świata.

Eksperyment Muon g-2
W ramach eks­pe­ry­mentu Muon g‑2 miony roz­pę­dzano wewnątrz pier­ście­nia o średnicy 15 metrów.

Na pierwsze owoce przyszło nam czekać do 7 kwietnia 2021, gdy swoje wnioski upu­blicz­nił zespół pod kie­row­nic­twem Kevina Pittsa, Aidy El-Khadry oraz Chrisa Pol­ly­’ego. Zgro­ma­dzone dane potwier­dziły, a nawet jeszcze uwy­pu­kliły nie­zgod­ność z pro­gno­zami modelu standardowego.

Czynnik g dla mionu:
- według teorii = 2,00233183620
- według eks­pe­ry­mentu Muon g‑2 = 2,00233184122

Dokład­ność badania oceniono na 4,2 sigma – nieco zbyt mało, aby już teraz z pew­no­ścią w głosie mówić o prze­ło­mie, ale więcej niż poprzed­nio i na tyle dużo, aby zor­ga­ni­zo­wać wiele paneli dyskusyjnych.

Co jeżeli wyniki Muon g‑2 zostaną potwier­dzone? I gdzie upa­try­wać wyja­śnie­nia dla drobnych, ale kon­se­kwent­nie poja­wia­ją­cych się anomalii?

Zawsze gdy scho­dzimy do skali sub­a­to­mo­wej, w grę wchodzi natu­ralny szum tła, w postaci wszę­do­byl­skich fluk­tu­acji kwan­to­wych. Mion nie jest tu wyjąt­kiem i wszędzie ściąga na siebie ławicę sztur­cha­ją­cych go wir­tu­al­nych cząstek. Sam ten fakt na ogół nie stanowi więk­szego kłopotu, ponieważ całkiem dobrze znamy naturę fluk­tu­acji i potra­fimy z powo­dze­niem uwzględ­nić je w naszych opisach, zacho­wu­jąc zaska­ku­jącą precyzję.

Cząstki wirtualne a moment magnetyczny mionu
Spon­ta­niczne fluk­tu­acje kwantowe mogą wpływać na zacho­wa­nie badanych cząstek.

Anomalia g‑2 daje nam poten­cjalną wska­zówkę, że w oto­cze­niu mionu dzieje się coś jeszcze; że w jego sąsiedz­twie rodzą się cząstki o nie­ty­po­wej cha­rak­te­ry­styce. Mogą być to równie dobrze pary nie­zna­nych cegiełek materii, jak i nośniki jakiegoś egzo­tycz­nego oddzia­ły­wa­nia. Chris Polly mówi lite­racko o “potwo­rach wyła­nia­ją­cych się z próżni”. Jeśli tak, to pozo­staje mi stwier­dzić, że aktualny “bestia­riusz” ich nie uwzględ­nia. Gdyby okazało się, że prze­strzeń wypełnia nie­po­znane dotąd pole kwantowe, sta­li­by­śmy się świad­kami naj­waż­niej­szego odkrycia w dzie­dzi­nie fizyki od czasów zare­je­stro­wa­nia bozonu Higgsa. Tym razem jednak to eks­pe­ry­ment wyprze­dził teorię.

A może po prostu ktoś popełnił błąd? Taką tezę zdążyli postawić na łamach Nature fizycy Szabolcs Borsányi i Zoltan Fodor. Nie chodzi jednak o to, że ktoś “źle podpiął kabelek” (choć historia zna i takie przy­padki). Teo­re­tycy prze­wi­dują raczej, że po drodze przyjęto nie­pra­wi­dłowe zało­że­nia, wskutek których pro­wa­dzone doświad­cze­nia zawsze będą obar­czone sporym mar­gi­ne­sem błędu. Zapro­po­no­wane poprawki, prze­te­sto­wane przez super­kom­pu­tery zdają się niwe­lo­wać problem. Jak powie­dział Fodor: 

Jeśli nasze obli­cze­nia są poprawne, nowe pomiary nie zmie­niają historii. Wydaje się, że nie potrze­bu­jemy żadnej nowej fizyki. (…) Chociaż per­spek­tywa nowej fizyki zawsze kusi, znaj­dy­wa­nie zgod­no­ści pomiędzy teorią a eks­pe­ry­men­tem jest równie eks­cy­tu­jące. Pokazuje to głębię naszego zro­zu­mie­nia i otwiera nowe moż­li­wo­ści eksploracji.

Zoltan Fodor

Mamy więc do czy­nie­nia z wielką zagadką natury, intry­gu­ją­cymi wynikami, obiet­nicą przełomu, ale także z wąt­pli­wo­ściami i zdrową porcją scep­ty­cy­zmu. Po latach posuchy, fizyka cząstek znów stała się ekscytująca.

Literatura uzupełniająca:
T. Marc, First results from Fermilab’s Muon g‑2 experiment strengthen evidence of new physics, [online: www.news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/];
S. Borenstein, Tantalizing results of 2 experiments defy physics rulebook, [online: www.phys.org/news/2021–04-tantalizing-results-defy-physics-rulebook.html];
New estimate of muon’s magnetic field strength aligns with standard model of particle physics, [online: www.phys.org/news/2021–04-strength-muon-magnetic-field-aligns.html];
K. Turzyński, Mionowe manowce, [online: www.deltami.edu.pl/temat/fizyka/struktura_materii/2018/04/22/Mionowe_manowce/];
T. Dorigo, Muon G‑2: The Anomaly That Could Change Physics, [online: www.amva4newphysics.wordpress.com/2017/07/17/muon-g-2-the-anomaly-that-could-change-physics/];
L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka. Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, przeł. E. Kołodziej-Józefowicz, Warszawa 1996;
Sz. Borsanyi, Z. Fodor, Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD, “Nature”, kwiecień 2021;
Gify powziąłem z materiału przygotowanego przez Fermilab: www.youtube.com/watch?v=ZjnK5exNhZ0.
Total
17
Shares