Η διαφορά μεταξύ πρόβλεψης και μέτρησης των μαγνητικών ιδιοτήτων του μιονίου υποδηλώνει την ύπαρξη ενός γρίφου για το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Περίληψη: Πολλά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, συμπεριφέρονται ως μικροσκοπικοί μαγνήτες. Οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν το πόσο ισχυρά εμφανίζεται αυτό το φαινόμενο· την “μαγνητική ροπή” ενός σωματιδίου. Για το ηλεκτρόνιο, οι προβλέψεις του Καθιερωμένου Πρότυπου συμφωνούν απόλυτα με τις μετρήσεις. Για τον ξάδερφο του ηλεκτρονίου όμως -το μιόνιο- δεν συμβαίνει το ίδιο. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε μία τυχαία στατιστική διακύμανση· μπορεί όμως να αποτελεί και ένδειξη μη ανακαλυφθείσας ακόμη φυσικής.
Η σύγχρονη φυσική έχει λόγους να αγωνιά. Το Καθιερωμένο Πρότυπο αποτελεί την καλύτερη, έως τώρα, θεωρία για την ερμηνεία του υποατομικού κόσμου, και είναι ιδιαίτερα επιτυχημένη, με αρκετές από τις μετρήσεις να συμφωνούν σε εξαιρετικό βαθμό με τις προβλέψεις. Ωστόσο, κάποια μεγάλα μυστήρια παραμένουν. Για παράδειγμα, η τρέχουσα θεωρία δεν είναι σε θέση να εξηγήσει το γιατί δεν παρατηρούμε στη φύση την αντιύλη, ούτε μπορεί να ερμηνεύσει την σκοτεινή ύλη ή την σκοτεινή ενέργεια. Είναι ξεκάθαρο ότι το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι ατελές.
Οι ερευνητές, παρά τα εδώ και δεκαετίες πειράματα με μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων, δεν έχουν βρει κάποια ασυμφωνία η οποία να τους δείχνει τον δρόμο προς μια υποσχόμενη κατεύθυνση. Όμως, η μελέτη των νόμων της φύσης δεν διεξάγεται αποκλειστικά με επιταχυντές· υπάρχουν και άλλοι τρόποι: καποιοι επιστήμονες διεξάγουν μικρότερης κλίμακας εργαστηριακά πειράματα για να μπορέσουν να μετρήσουν τις θεμελιώδεις σταθερές με εξαιρετική ακρίβεια, ελπίζοντας πως θα ανακαλύψουν ασυμφωνίες μεταξύ προβλέψεων και μετρήσεων που θα τους επιτρέψουν να αναπτύξουν καλύτερες θεωρίες.
Μετρώντας την μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου
Πρόσφατα, μία νέα μέτρηση των μαγνητικών ιδιοτήτων του ηλεκτρονίου κατάφερε να πετύχει εκπληκτική ακρίβεια και βρίσκεται σε καλή συμφωνία με τις προβλέψεις· ταυτόχρονα όμως προκάλεσε σύγχυση στην παγκόσμια ερευνητική κοινότητα της φυσικής.
Όπως πολλά άλλα υποατομικά σωματίδια, το ηλεκτρόνιο διαθέτει ηλεκτρικό φορτίο και συμπεριφέρεται ως ένας μικροσκοπικός μαγνήτης. Η θεωρία της κβαντικής μηχανικής που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1920 προέβλεψε το πόσο ισχυρός είναι αυτός ο μαγνήτης (δλδ την μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου) αρκετά καλά. Ωστόσο, το 1947, μετρήσεις και υπολογισμοί διαπίστωσαν ότι οι πρώτες προβλέψεις ήταν ελαφρώς ανακριβείς. Βελτιωμένοι υπολογισμοί, οι οποίοι περιελάμβαναν τις επιδράσεις όλων των γνωστών υποατομικών σωματιδίων, μετέβαλαν κατά 0,1% την τιμή για τις μαγνητικές ιδιότητες του ηλεκτρονίου.
Παρά το ότι αποτελεί μία ιδιαίτερα μικρή επίδραση, δίνει στους ερευνητές έναν τρόπο να ερευνήσουν το εάν υπάρχουν καινούργια σωματίδια· δηλαδή σωματίδια που, επί του παρόντος, δεν έχει λάβει υπ’όψη του το Καθιερωμένο Πρότυπο. Εάν υπάρχουν τέτοια, επιπλέον σωματίδια, τότε ο υπολογισμός θα αλλάξει ελαφρώς, για μία ακόμη φορά.
Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες έχουν ξεκινήσει ένα πρόγραμμα -το οποίο εκτείνεται σε βάθος δεκαετιών- για την ολοένα πιο ακριβή μέτρηση των μαγνητικών ιδιοτήτων του ηλεκτρονίου. Το φθινόπωρο του 2022, δημοσιεύτηκαν τα αποτελέσματα μίας εργασίας, όπου η μέτρηση και η πρόβλεψη βρίσκονται σε συμφωνία με εκπληκτική ακρίβεια: δώδεκα ψηφίων! Η νέα μέτρηση φαίνεται να είναι ακριβής κατά έναν συντελεστή 1,3 στα 10 τρισεκατομμύρια.
Το γεγονός ότι η πρόβλεψη και η μέτρηση συμφωνούν σε τέτοιο απίστευτο βαθμό αποτελεί θρίαμβο τόσο της πειραματικής όσο και της θεωρητικής φυσικής. Κυρίως, όμως, δείχνει πως η μέτρηση αυτή φαίνεται πως δεν επηρεάζεται από παράγοντες που βρίσκονται εκτός του Καθιερωμένου Πρότυπου. Με άλλα λόγια, εδώ δεν υπάρχει “νέα φυσική”.
Το μυστήριο σχετικά με το μιόνιο
Αυτή, όμως, δεν είναι ολόκληρη η ιστορία. Το ηλεκτρόνιο δεν είναι το μόνο υποατομικό σωματίδιο που δρα σαν μικροσκοπικός μαγνήτης και που το πόσο ισχυρός είναι αυτός ο μαγνήτης εξαρτάται από όλα τα γνωστά υποατομικά σωματίδια.
Το μιόνιο είναι ξάδερφος του ηλεκτρονίου. Όπως και το ηλεκτρόνιο, διαθέτει φορτίο και συμπεριφέρεται ως μαγνήτης. Βέβαια, το μιόνιο είναι περίπου 200 φορές βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο και επίσης είναι ασταθές, καθώς διασπάται σε 2,2 μικροδευτερόλεπτα. Όπως και στην περίπτωση του ηλεκτρονίου, οι μαγνητικές ιδιότητες του μιονίου υπερβαίνουν κατά 0,1% τις προβλέψεις της κβαντομηχανικής του 1920.
Οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν και να υπολογίσουν τη μαγνητική ροπή του μιονίου, αν και με μικρότερη ακρίβεια από αυτήν του ηλεκτρονίου: Η αβεβαιότητα βρίσκεται περίπου στα 4,6 μέρη ανά δέκα εκατομμύρια.
Στην περίπτωση του μιονίου, η τιμή των μαγνητικών ιδιοτήτων που μετρήθηκε πειραματικά δεν συμφωνεί απόλυτα με την θεωρητικά υπολογισμένη τιμή. Το ότι οι δύο τιμές διαφέρουν μπορεί να οφείλεται στο ότι δεν είναι ακριβείς (η μία εξ αυτών ή ακόμα και οι δύο). Η ασυμφνωία θα μπορούσε, επίσης, να είναι μια στατιστική διακύμανση (όπως το να ρίξουμε ένα νόμισμα και να πάρουμε το ίδιο αποτέλεσμα, δέκα φορές στη σειρά). Το συναρπαστικότερο, όμως, είναι ότι ίσως υποδηλώνει την ύπαρξη άγνωστων φαινόμενων – δηλαδή “καινούργια φυσική”.
Η στατιστική ανάλυση δείχνει ότι για να “πέσουμε τυχαία” επάνω στην παρατηρούμενη διαφωνία, θα χρειαζόταν να εκτελέσουμε το πείραμα 40.000 φορές περίπου. Με δεδομένο ότι αυτό είναι εξαιρετικά απίθανο, οι επιστήμονες αρχίζουν να εξετάζουν σοβαρά την πιθανότητα η απόκλιση που παρατηρείται στις μετρήσεις του μιονίου να αποτελεί σημάδι για φυσική που δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμα.
Νέα φυσική;
Αξίζει να σημειωθεί ότι τόσο η μέτρηση όσο και η πρόβλεψη της μαγνητικής ροπής του μιονίου, δεν αφορούν παγιωμένες τιμές καθώς οι απόπειρες ακριβέστερου υπολογισμού αυτών δεν σταματούν. Αναμένουμε σύντομα, μάλιστα, ενημερώσεις σχετικά με αυτές τις τιμές. Όμως, έχουμε λόγο να είμαστε (έστω και λίγο) ενθουσιασμένοι με αυτό που συμβαίνει.
Η πρόσφατη μέτρηση της μαγνητικής ροπής του ηλεκτρονίου μας έχει μπερδέψει λίγο. Είναι 3.100 φορές πιο ακριβής από την ίδια μέτρηση για το μιόνιο και συμφωνεί ιδιαίτερα καλά με το Καθιερωμένο Πρότυπο. Που να οφείλεται, άραγε, το ότι η μέτρηση για το μιόνιο είναι λιγότερο ακριβής και διαφωνεί με την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Πρότυπου; Είναι λες και το ηλεκτρόνιο και το μιόνιο, να μας λένε διαφορετικές ιστορίες.
Ενδεχομένως, η περαιτέρω διερεύνηση της φύσης των ηλεκτρονίων και των μιονίων, να παράσχει κρίσιμες ενδείξεις για τους νόμους της φύσης που δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμα.
Συγγραφέας του άρθρου είναι ο Dr. Don Lincoln, κύριος ερευνητής στο “Fermi National Accelerator Laboratory”, το εργαστήριο στο οποίο μετρήθηκε η μαγνητική ροπή του μιονίου.
Παραπομπές: Measurement of the Electron Magnetic Moment
Πηγή: https://bigthink.com/
