Fizicienii, tot mai aproape de descoperirea unei noi forțe a naturii

Sunteți familiarizați cu muonii? Sunt particule subatomice care se întâmplă să fie și particule elementare - sunt cele mai mici obiecte cunoscute de fizică, iar compoziția lor nu este cunoscută, de unde și termenul de particulă "fundamentală" sau "elementară". Există și alte astfel de particule. Muonii sunt asemănători cu electronii, dar sunt mai grei și mai instabili.

O a cincea forță fundamentală

Fie că sunt muoni sau alte particule elementare, patru forțe fizice - cunoscute sub numele de "forțe ale naturii", "forțe fundamentale" sau "interacțiuni elementare" - acționează asupra lor. Este vorba despre gravitație, forța nucleară puternică, forța nucleară slabă, forța electromagnetică. Aceste interacțiuni guvernează toate fenomenele fizice din Univers. Ele guvernează tot ceea ce observați și cunoașteți.

Acum imaginați-vă că nu există doar patru forțe fundamentale. Că ar exista o a cincea forță, încă necunoscută. Acest lucru ar da peste cap modelul standard al fizicii. Din întâmplare, există o ipoteză care sugerează acest lucru. În 2021, ea a fost chiar alimentată de un experiment solid care, prin măsurarea comportamentului ciudat al muonilor, a indicat posibilitatea existenței unei a cincea forțe fundamentale și a unor noi particule.

Un teritoriu nou

Aceeași echipă de cercetare - de la Fermilab (Chicago) - a anunțat că a măsurat și mai precis această anomalie - legată de ceea ce se numește "momentul magnetic al muonilor". "Explorăm cu adevărat un teritoriu nou. Determinăm momentul magnetic al muonului cu o precizie neegalată până acum", spune plin de entuziasm Brendan Casey, cercetător principal la Fermilab, precizând că studiul a fost trimis spre publicare Physical Review Letters.

Pentru acest experiment, particulele sunt accelerate într-un inel, un accelerator de particule, până la o viteză apropiată de cea a luminii. Acest lucru face posibilă măsurarea acestor particule subatomice în acțiune, ceea ce nu este puțin lucru, având în vedere că durata lor de viață este de două milionimi de secundă. Dar de ce "momentul magnetic al muonului" prezintă o anomalie care ar putea adăuga noi elemente de construcție în fizică? Puneți-vă centurile de siguranță subatomice, trebuie să mergem puțin mai departe în lumea cuantică.

Diferența care nu a vrut să fie măsurată

Muonii au un fel de mic magnet intern. În prezența unui câmp magnetic, acest magnet va începe să oscileze pe axa sa. Viteza de oscilație corespunde faimosului "moment magnetic al muonului", o măsură agregată a lui "g". ”G”-ul este cel care pune problemd. După cum explică Fermilab în termeni simplificați, "teoria prezice că g ar trebui să fie egal cu 2". Cu toate acestea, g nu este egal cu 2. În sine, în acest stadiu, acest lucru nu este surprinzător: știm că muonii sunt perturbați de "spuma cuantică", particule virtuale. "Aceste particule apar și dispar și, ca niște "parteneri de dans" subatomici, apucă "mâna" muonului și modifică modul în care acesta interacționează cu câmpul magnetic", explică Fermilab.

În mod normal, nimic din toate acestea nu reprezintă o problemă. Modelul standard al fizicii ia în considerare această problemă. Făcând un inventar al particulelor și al forțelor care există și integrând și această spumă cuantică, fizicienii ar trebui să poată prezice schimbarea lui g. Astfel, se obține o măsură numită g-2 (g minus 2).

Adevărata problemă apare aici. Există o nepotrivire între măsura g-2 prezisă... și măsura g-2 detectată în acceleratorul de particule. Să folosim o situație fictivă pentru a înțelege mai bine acest lucru. Puneți două mere de 200 de grame pe un cântar, știind foarte bine că respectivul cântar are o eroare care îl face să piardă sistematic 50 de grame. Deci știți, chiar înainte de a vă uita la măsurătoare, că veți obține 350 de grame pe ecran. Acum, dacă vă uitați la măsurarea finală și vedeți o cifră complet diferită pe ecran, înseamnă că se întâmplă ceva necunoscut.

Acest element necunoscut este cel care îi fascinează pe fizicieni în cazul muonilor. Pentru că această schimbare înseamnă că la mijloc este ceva care nu a fost încă integrat în modelul standard al fizicii. O a cincea forță fundamentală, o nouă particulă. "Fizicienii sunt entuziasmați de posibila existență a unor particule încă nedescoperite care contribuie la valoarea lui g-2 și care ar deschide calea pentru explorarea unei noi fizici", scrie Fermilab.

Din acest motiv, este importantă și precizia măsurătorii. Diferența dintre g-2 prezis și g-2 măsurat efectiv trebuie calculată și înțeleasă. Oamenii de știință estimează că, până în 2025, vor putea reașiza măsurarea "finală", cât mai precisă, a momentului magnetic al muonului. Această măsurare îi va aduce pe fizicieni și mai aproape de potențiala explorare a unei noi fizici.

Fermilab a pus la punct un program de cercetare la scară largă pentru a obține aceste rezultate. Până în 2023, vor fi implicați nu mai puțin de 200 de oameni de știință de la 33 de instituții din șapte țări diferite, precum și 40 de studenți care au devenit doctoranzi datorită activității lor pe această temă.