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.
Katar, atom i mechanika kwantowa Masa, ładunek i moment pędu. Czarne dziury u fryzjera Grobla Olbrzyma – geometryczny fenomen Matki Natury