Nowy eksperyment złamał dobrze znane zasady fizyki

Wydaje się, że jedna z najbardziej rozpowszechnionych cząstek subatomowych we wszechświecie, mion, zachowuje się nieprawidłowo. A przynajmniej nie zachowuje się tak, jak oczekują fizycy. W rzeczywistości miony tak bardzo odbiegają od praw fizyki, że naukowcy zaczynają wierzyć, że nasza wiedza na ich temat jest niepełna lub że we wszechświecie istnieje siła, której jeszcze nie znamy.

Miony są jak duże elektrony: są naładowane ujemnie, ale są 207 razy cięższe od elektronów. Dzięki swojemu ładunkowi i właściwości zwanej „spinem” zachowują się jak małe magnesy. Kiedy więc miony zanurzone są w innym polu magnetycznym, ulegają one nieskończenie małym oscylacjom. Ale w badanie Fizycy z Fermilab w stanie Illinois opublikowali w tym poście rozbieżność między liczbą mionów, które muszą oscylować, a liczbą mionów, które powinny oscylować podczas eksperymentu laboratoryjnego.

Przeczytaj także – Elon Musk mówi, że rozmawiał z CERN o budowie tuneli dla największego akceleratora cząstek w historii

Różnica jest na tyle duża, że ​​wielu naukowców jest przekonanych, że w grę muszą wchodzić cząstki lub siły, których jeszcze nie odkryliśmy. Innymi słowy, to odkrycie jest kolejnym dowodem na to, że coś tajemniczego mogło odegrać rolę w kształtowaniu naszego wszechświata – coś, czego nie ma w obecnych zasadach fizyki.

„Pod tym względem nowa skala może być początkiem rewolucji w naszym rozumieniu przyrody” – powiedział firmie Insider Thomas Tobner, fizyk teoretyk z Uniwersytetu w Liverpoolu i współautor nowego badania. Możliwe, że to nieznane zjawisko jest również związane z ciemną materią, tajemniczą kuzynką materii, która powstała zaraz po Wielkim Wybuchu i stanowi jedną czwartą wszechświata.

Wystrzel miony w okrąg z prędkością światła

Kiedy promienie kosmiczne docierają do atmosfery ziemskiej, tworzą miony. Kilkaset mionów uderza w głowę co sekundę. Mogą przenikać takie rzeczy, jak promienie rentgenowskie – kilka lat temu naukowcy użyli mionów, aby odkryć pomieszczenie ukryte w Wielkiej Piramidzie w Egipcie – ale cząsteczki trwają tylko dwa miliony sekund. Następnie rozpadają się na grupy lżejszych cząstek.

Podczas swojego krótkiego życia każdy mion jest skierowany wokół jednego punktu, tak jak kompas zawsze wskazuje północ. Ale kiedy napotyka pole magnetyczne, kierunek mionów odchyla się nieznacznie od tego punktu. Jest to krytyczna oscylacja, znana jako czynnik g, którą bada próba Fermilab.

Fermilab to projekt Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, związany z University of Chicago, poświęcony badaniu fizyki cząstek elementarnych. Naukowcy mogą tam produkować miony do badań, przepuszczając wiązkę protonów bardzo szybko przez metal za pomocą akceleratora cząstek.

Dlatego naukowcy zajmujący się nowym badaniem wzięli te miony i skierowali je w stronę okrągłego elektromagnesu o średnicy 15 metrów. Następnie miony poruszały się z prędkością bliską prędkości światła i obracały się wokół koła ponad 1000 razy. Kiedy miony w urządzeniu zanikają, ultra czułe detektory mogą mierzyć kierunek, w którym poruszają się powstałe małe cząstki. Fizycy mogą następnie wykorzystać te informacje do obliczenia położenia stałego punktu na mion.

Powinno być możliwe obliczenie dokładnej liczby mionów, które będą oscylować przy użyciu standardowego modelu fizyki, który obejmuje wszystko, co wiemy o zachowaniu się cząstek. Jednak zespół Fermilab stwierdził, że ich chybotanie mionów nie spełnia tych oczekiwań. Wręcz przeciwnie, odpowiada jednej trzeciej milionowej setki.

Ta różnica może wydawać się niewiarygodnie mała, ale Thomas Teubner powiedział, że w rzeczywistości był „mentorem” fizyki cząstek elementarnych. I jest mało prawdopodobne, że jest to wynikiem błędu: zespół odkrył, że była tylko jedna szansa na 40 000, że różnica w ich pomiarach była przypadkowa. „To mocny dowód na to, że miony są wrażliwe na coś, co nie mieści się w naszych najlepszych teoriach” – powiedział w raporcie René Fatemi, jeden z liderów eksperymentu Fermilab Moon. Informacja prasowa.

Układanka sprzed 20 lat

To nie pierwszy raz, kiedy miony nie zachowywały się tak, jak przewidują najlepsze teorie naukowe. W 2001 roku Brookhaven National Laboratory w Nowym Jorku przeprowadziło podobny eksperyment z użyciem tego samego gigantycznego elektromagnesu. Wyniki te pokazały również, że oscylacje mionów in vitro odbiegały od tych, jakie powinny być. Ale te wyniki były statystycznie mniej znaczące niż te dla Fermilab: istniała 1 na 1000 szans na ich napotkanie.

Dziś wyniki Fermilab potwierdzają to, co fizycy z Brookhaven odkryli 20 lat temu – i to „sprawiło, że różnica już zaobserwowana w starożytnym odkryciu była jeszcze bardziej interesująca” – powiedział Thomas Teubner. Oczekuje się, że Fermilab opublikuje dane z dwóch podobnych badań w ciągu najbliższych dwóch lat. Czwarta próba już trwa, a piąta jest w przygotowaniu.

To, co wpływa na miony, może mieć coś wspólnego z ciemną materią

Według Thomasa Tobnera jest możliwe, że siła spoza Modelu Standardowego fizyki może wyjaśnić drgania mionów. Mówi, że ta siła może również wyjaśnić istnienie ciemnej materii, a być może nawet ciemnej energii, która odgrywa główną rolę w przyspieszaniu rozszerzania się wszechświata. „Teoretycy uznają za interesujące rozwiązanie więcej niż jednego problemu naraz” – mówi Thomas Teubner.

Dodał, że jedna z hipotez, która może odnosić się zarówno do mionów, jak i ciemnej materii, jest taka, że ​​miony i wszystkie inne cząstki mają prawie identyczne cząstki partnerskie, które słabo oddziałują z nimi. Ta koncepcja jest znana jako supersymetria.

Jednak obecne technologie Fermilab nie są wystarczająco czułe, aby przetestować ten pomysł. Co więcej, dodaje Thomas Teopner, tajemniczy wpływ na miony może w ogóle nie być związany z ciemną materią, co oznacza, że ​​zasady fizyki są nieadekwatne pod wieloma względami.

Oryginalna kopia: Eileen Woodward / Insider

Przeczytaj także – 3 naukowców pracujących nad falami grawitacyjnymi otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki