Znajdź zawartość

Nadeszły długo oczekiwane pierwsze wyniki badań w eksperymencie Muon g-2 prowadzonym przez Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Pokazują one, że miony zachowują się w sposób, który nie został przewidziany w Modelu Standardowym. Badania, przeprowadzone z bezprecedensową precyzją, potwierdzają sygnały, jakie inni naukowcy zauważali od dekad. Jeśli się potwierdzą, będzie to wyraźnym dowodem, iż miony wykraczają poza Model Standardowy i mogą wchodzić w interakcje z nieznaną cząstką. To wyjątkowy dzień, długo oczekiwany nie tylko przez nas, ale przez całą społeczność fizyków, mówi Graziano Venanzoni, fizyk z Włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej, rzecznik eksperymentu Muon g-2. Miony są około 200 razy bardziej masywne niż ich kuzyni, elektrony. Występują w promieniowaniu kosmicznym docierającym do Ziemi, a w akceleratorach cząstek potrafimy uzyskiwać je w dużych ilościach. Podobnie jak elektrony, miony zachowują się tak, jakby zawierały magnes. Jak wiemy ze wzoru wprowadzonego przez Paula Diraca, twórcę teorii kwarków, moment magnetyczny samotnego mionu – współczynnik g – ma wartość 2. Stąd zresztą nazwa eksperymentu Muon g-2. Z czasem do wyliczeń tych wprowadzono niewielkie poprawki, określając dokładną wartość współczynnika. Jednak na mion, podobnie zresztą jak na elektron, wpływa jego otoczenie. Gdy miony krążą w eksperymencie Muon g-2 stykają się z kwantową pianką tworzoną przez pojawiające się i znikające subatomowe cząstki. Interakcja z nimi wpływa na wartość współczynnika g. Model Standardowy pozwala z wielką precyzją wyliczyć tę wartość. Oczywiście uwzględniając przy tym znane nam cząstki. Jeśli więc pojawi się cząstka lub siła nieznana w Modelu Standardowym, współczynnik g przyjmie wartość, która nie jest przezeń przewidziana. To, co mierzymy, odzwierciedla wszystkie interakcje, z jakimi mion miał do czynienia. Jednak gdy teoretycy przeprowadzają swoje obliczenia, biorąc pod uwagę wszystkie znane siły i cząstki Modelu Standardowego, okazuje się, że wynik ich obliczeń jest różny od wyniku naszego eksperymentu. To silna wskazówka, że na mion działa coś, czego nie przewiduje Model, mówi Renee Fatemi, fizyk z University of Kentucky, która jest odpowiedzialna za symulacje w eksperymencie Muon g-2. Zgodnie z akceptowanymi obecnie wyliczeniami teoretyków współczynnik g dla mionu wynosi 2,00233183620(86), a wartość poprawki momentu magnetycznego to 0,00116591810(43). W nawiasach zawarto niepewność wyliczeń. Tymczasem uśrednione wartości, jakie uzyskano podczas najnowszych eksperymentów w Fermilab to 2,00233184122(82) oraz 0,00116592061(41). Istotność statystyczna tej różnicy – czyli w tym przypadku niezgodność obliczeń teoretycznych obliczeń z pomiarami – wynosi aż 4,2 sigma. Przypomnijmy tutaj, że od 5 sigma mówimy w fizyce o odkryciu. Prawdopodobieństwo, że uzyskane wyniki są fałszywe wynosi 1:40 000. Jak zatem widać, fizycy o odkryciu jeszcze nie mówią, ale mają bardzo silne przesłanki, by wierzyć w wyniki eksperymentu. Eksperyment Moun g-2 zaczął w Fermilab pracę w 2018 roku. Korzysta on z nadprzewodzącego magnetycznego pierścienia akumulacyjnego o średnicy ponad 15 metrów. W 2013 roku pierścień ten został przewieziony z Brookhaven National Laboratory, gdzie nie był już potrzebny. To niezwykłe wydarzenie opisywaliśmy przed 8 laty. Przez kolejne 4 lata specjaliści składali, kalibrowali i testowali nowe urządzenie, wyposażając Moun g-2 w najnowsze osiągnięcia techniki i tworząc na jego potrzebny nowe metody badawcze. W eksperymencie tym strumień mionów tysiące razy krąży w pierścieniu z prędkością bliską prędkości światła. Tylko w pierwszym roku działania Muong g-2 z Fermilab zebrał więcej danych niż wszystkie wcześniejsze eksperymenty razem wzięte. Dzięki współpracy ponad 200 naukowców z 35 instytucji naukowych z 7 krajów udało się obecnie dostarczyć szczegółowe dane dotyczące pomiarów ruchu ponad 8 miliardów mionów wykorzystywanych podczas pierwszego sezonu badawczego (rok 2018). Obecnie prowadzone są analizy danych z dwóch kolejnych sezonów (lata 2019–2020). Jednocześnie trwa czwarty sezon, a piąty jest planowany. Połączenie danych ze wszystkich wspomnianych sezonów pozwoli na określenie współczynnika g z jeszcze większą precyzją. Dotychczas przeanalizowaliśmy mniej niż 6% danych, jakie dostarczy nam Muon g-2. Już pierwsze wyniki pokazują, że istnieje interesująca rozbieżność pomiędzy eksperymentem a Modelem Standardowym. W ciągu najbliższych kilku lat dowiemy się znacznie więcej, mówi Chris Polly z Fermilab, który jako student brał udział w badaniach w Brookhaven. « powrót do artykułu

Naukowcy najpierw teoretycznie przewidzieli istnienie neutrino, a po kilkudziesięciu latach nauczyli się je wykrywać. Wtedy okazało się, że neutrino oscylują pomiędzy swoimi poszczególnymi zapachami, a zatem mają masę. Dowód na potwierdzenie oscylacji neutrin zdobyto dopiero w bieżącym roku w CERN-ie. Już sam ten fakt świadczył o tym, że Model Standardowy - przewidujący brak masy neutrin - nie jest prawdziwy. Teraz naukowcy z Fermilab przeprowadzili badania, które mogą wysłać Model Standardowy na śmietnik. Amerykanie wykorzystali detektor MiniBooNE do tworzenia neutrin z protonów wysyłanych przez akcelerator Tevatron, które były wystrzeliwane w stacjonarny cel. Zadaniem MiniBooNE'a było sprawdzenie pewnych dziwnych wyników, uzyskanych przed dziesięciu laty w Los Alamos. Sugerowały one, że antyneutrina mionowe oscylują w antyneutrina elektronowe w większym stopniu niż wynikałoby to z wyliczeń. Początkowo MiniBooNE badał neutrina mionowe i nie znalazł żadnych nieprawidłowości. jednak gdy zaczęto przyglądać się antyneutrinom mionowym okazało się, że wykryto więcej antyneutrin niż powinno ich być. Dane dotyczące liczby oraz energii wydają się zbieżne z tym, co zaobserwowano wcześniej w Los Alamos. Antyneutrina po raz kolejny zaskoczyły badaczy. Już wcześniej, również w Fermilab, zaobserwowano, że różnice mas antyneutrin mogą nie być takie same jak różnice mas neutrin.

Głównym celem Wielkiego Zderzacza Hadronów jest znalezienie bozonu Higgsa, czyli Boskiej Cząstki. Jednak najnowsze badania amerykańskich fizyków wskazują, że może istnieć kilka, dokładnie pięć, wersji poszukiwanego bozonu. Jeśli Amerykanie mają rację, to konieczna będzie zmiana obowiązującego obecnie Modelu Standardowego. Koncepcję istnienia wielu odmian bozonu zasugerowały wyniki eksperymentu DZero, przeprowadzonego w akceleratorze Tevatron w Fermilab. W sędziwym już Tevatronie zderzane są protony i antyprotony. W wyniku kolizji powstaje minimalnie więcej par cząstek materii od antymaterii. Ostatnie eksperymenty wykazały jednak, że w Tevatronie powstało o 1% więcej par mionów niż antymionów. Tego typu różnice znane są od dawna jako naruszenie symetrii CP. Nigdy jednak nie zaobserwowano tak dużych różnic jak w DZero. To wskazuje na istnienie czegoś więcej niż po prostu asymetrię materii i antymaterii. Takich różnic nie tłumaczy Model Standardowy. Bogdan Dobrescu, Adam Martin i Patrick J. Fox z Fermilab uważają, że tak duża asymetria może wskazywać na istnienie wielu odmian bozonu Higgsa. Ich zdaniem eksperyment sugeruje istnienie pięciu rodzajów bozonu o podobnych masach, ale różnym ładunku elektrycznym. Trzy z nich mogą być obojętne, jeden dodatni, a jeden ujemny. Teoria o istnieniu tylu bozonów istnieje już od pewnego czasu, a teraz zyskała pewne podstawy eksperymentalne. W modelu z dodatkowym dubletem Higgsa jest miejsce na wyniki, jakie uzyskaliśmy podczas eksperymentu DZero. Problemem jest natomiast uzyskanie takich wyników, bez zniszczenia tego, co zmierzono wcześniej - mówi doktor Martin. Przyznaje jednocześnie, że możliwe jest wytłumaczenie uzyskanych wyników w Modelu Standardowym. Jednak Model ten jest przez coraz większe rzesze specjalistów uznawany za niewystarczający. Teoria o dodatkowym dublecie bozonów Higgsa częściowo wpasowuje się w Model i nie wymaga wprowadzania w nim rewolucyjnych zmian.

Neutrina fascynują fizyków od czasu, kiedy były jeszcze teoretycznym pomysłem Wolfganga Pauliego, który zapostulował ich istnienie w 1930 roku. Praktyczne potwierdzenie ich istnienia w latach sześćdziesiątych nie zakończyło fascynacji - wciąż pozostawały mało uchwytne i tajemnicze. Zagadka, z jaką nauka mierzyła się w ostatnich latach, to tzw. oscylacja neutrin, czyli zamiana neutrina mionowego w neutrino taonowe. Zagadkę rozwiązała OPERA. Znikanie jednego rodzaju neutrin obserwowano już wielokrotnie, ale próby zarejestrowania oczekiwanego pojawienia się, jakie podejmowano przez ostatnie kilkanaście lat, spełzały na niczym. Fiaskiem zakończyły się między innymi eksperymenty CHORUS i NOMAD, przeprowadzanie w europejskim CERN. Dopiero później nowe teoretyczne badania dowiodły, że aparatura rejestrująca powinna znajdować w znacznie większej odległości od źródła. Stąd pomysł eksperymentu OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Aparaturę reejstrującą umieszczono aż 730 kilometrów od synchrotronu CERN w Genewie, we włoskim Narodowym Laboratorium Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso). W ciągu trzech milisekund wiązka neutrin przebywała tę odległość, biegnąc pod malowniczymi krajobrazami połowy Europy. Tak działo się od 2006 roku, kiedy zainaugurowano projekt. 31 maja tego roku odnotowano pierwszy sukces: zamianę neutrina mionowego w neutrino tau. Potwierdzenie słuszności koncepcji oscylacji neutrinowej uzupełnia obraz Modelu Standardowego, otwierając drzwi do nowych koncepcji w fizyce cząstek, kosmologii i astrofizyce. Eksperyment OPERA jest efektem współpracy zespołów naukowych z wielu krajów: Belgii, Chorwacji, Francji, Niemiec, Izraela, Włoch, Japonii, Korei, Rosji, Szwajcarii, Tunezji i Turcji.

Dwóch znanych fizyków, Holger Bech Nielsen z Instytutu Nielsa Bohra i Masao Ninomiya z Instytutu Fizyki Teoretycznej Yukawa, wysunęło niezwykle śmiałą teorię dotyczącą przyczyn awarii Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). Ich zdaniem, został on uszkodzony... przez swoją przyszłość. Zwykle przyjmujemy, że to przeszłość wpływa na przyszłość, chociaż jeśli rozważymy przypadek podróżnika w czasie, który wraca do przeszłości i np. zabija któregoś ze swoich przodków, zauważymy, że i przyszłość może wpływać na przeszłość. Powracający bozon Higgsa byłby podobny podróżnikowi w czasie, który wędruje do przeszłości nie po to, by zabić swojego przodka, ale po to, by uratować wszechświat przed samym sobą. Obecne bozon Higgsa, zwany też Boską Cząstką, to teoretyczna cząstka elementarna, której istnienie postuluje Model Standardowy. Miała ona istnieć przez kilka sekund po Wielkim Wybuchu i dała początek materii. Mamy pewne dane sugerujące, iż teoria bozonu jest prawidłowa. A mówi ona, że cząstki elementarne, takie jak kwarki i leptony, posiadają masę dzięki temu, iż oddziałują z polem Higgsa, którego nośnikiem jest bozon Higgsa. Nielsen i Ninomiya od półtora roku publikują serię prac pod wiele mówiącymi tytułami: Search for Future Influence From LHC czy Test of Effect From Future in Large Hadron Collider: a Proposal (to ostatnia, w której opisano kontrowersyjny pomysł). Naukowcy twierdzą, że bozon Higgsa, którego znalezienie miało być jednym z zadań LHC, jest czymś tak obcym naturze, iż jego stworzenie odbije się na przeszłości i spowoduje, że Zderzacz przestanie działać, zanim będzie w stanie go wyprodukować. Nielsen i Ninomiya zaczęli publikować swoje rozważania na temat przyszłości LHC już wiosną ubiegłego roku. Kilka miesięcy później urządzenie uległo awarii. Nielsen stwierdził wówczas, że mieliśmy do czynienia z "zabawnym wydarzeniem, które mogło spowodować, że uwierzyliśmy w naszą teorię". Nielesen zauważa, że niezwykła teoria spotka się z wieloma głosami sceptycyzmu. Przypomina też, że wiele ważnych eksperymentów naukowych borykało się ze sporymi kłopotami. Jednak wraz ze swoim japońskim kolegą zaproponował CERN-owi sprawdzenie możliwości wystąpienia bardzo nieprawdopodobnego zdarzenia, takiego jak np. wyciągnięcie pika spośród 100 milionów kierów. Jeśli trafi się na taką kartę, oznaczałoby to, że LHC nie rozpocznie pracy lub też nie uda się go uruchomić z takimi energiami, by odnalazł bozon Higgsa. Teoria obu naukowców jest co najmniej niezwykła, ale Nielsen przyzwyczaił świat naukowy do tego, iż myśli niestandardowo. Jest on jednym z twórców teorii strun i jak opisał go fizyk z Caltechu Sean Carrol, jednym z tych niezwykle inteligentnych ludzi, którzy posuwają się bardzo daleko w swych szalonych pomysłach.