Czy nieznana siła miała wpływ na kształt naszego wszechświata?

Nowy eksperyment obala znane zasady fizyki, wskazując na tajemniczą, nieznaną siłę, która ukształtowała nasz wszechświat.

Nadprzewodzący pierścień magnetyczny w Fermilab

Nowe badanie sugeruje, że cząstki subatomowe zwane mionami łamią prawa fizyki – może to oznaczać, że na miony działa tajemnicza siła, przez co nasze zrozumienie fizyki byłoby niepełne. Może to być ta sama siła, która odpowiada za ciemną materię, która ukształtowała wczesny wszechświat. Wydaje się, że jedna z najbardziej wszechobecnych cząstek subatomowych we wszechświecie, mion, zachowuje się nieprawidłowo. A przynajmniej nie zachowuje się tak, jak oczekują tego fizycy. W rzeczywistości miony tak bardzo odbiegają od tego, co sugerują prawa fizyki, że naukowcy zaczynają myśleć, że dotychczasowa wiedza jest albo niekompletna, albo we wszechświecie istnieje siła, o której jeszcze nie wiemy.

Miony są jak grube elektrony: mają ładunek ujemny, 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, doświadczają nieskończenie małego chybotania.

Jednak w badaniu opublikowanym w tym tygodniu przez fizyków z Fermilab w Illinois, wskazano na rozbieżność między tym, ile mionów powinno się kołysać, a tym, jak bardzo chybotały się podczas eksperymentu laboratoryjnego, przy użyciu nadprzewodzącego pierścienia magnetycznego, który ma średnicę 50 stóp (ok. 15,24 m). Różnica jest na tyle znacząca, że ​​wielu naukowców jest przekonanych, że w grę muszą wchodzić cząstki lub siły, których jeszcze nie odkryliśmy. Innymi słowy, odkrycie to dostarcza nowych dowodów na to, że coś tajemniczego odegrało rolę w kształtowaniu naszego wszechświata – coś, czego brakuje w istniejących zasadach fizyki.

Pod tym względem nowy pomiar może rzeczywiście zapoczątkować rewolucję w naszym rozumieniu przyrody – powiedział firmie Insider Thomas Teubner, fizyk teoretyk z Uniwersytetu w Liverpoolu i współautor nowego badania.

Możliwe, że to nieznane zjawisko jest również powiązane z ciemną materią, cienistym kuzynem materii, która powstała tuż po Wielkim Wybuchu i stanowi jedną czwartą wszechświata.

Kiedy promienie kosmiczne przenikają do atmosfery ziemskiej, tworzą miony. Kilkaset mionów uderza w nasze głowy co sekundę. Mogą penetrować obiekty jak promieniowanie rentgenowskie – kilka lat temu naukowcy użyli mionów do odkrycia ukrytej komory w Egipskiej Wielkiej Piramidzie – ale cząstki trwają tylko dwie milionowe sekundy. Następnie rozpadają się na skupiska lżejszych cząstek.

Podczas swego krótkiego istnienia każdy mion pozostaje zorientowany wokół jednego punktu, w ten sam sposób, w jaki kompas zawsze wskazuje północ. Ale kiedy napotyka pole magnetyczne, orientacja mionu zmienia się nieznacznie od tego punktu. To kluczowe odchylenie, znane jako czynnik g, jest tym, co bada eksperyment w Fermilab. Tamtejsi naukowcy mogą produkować miony do badań, bardzo szybko wprowadzając wiązkę protonów w metal za pomocą akceleratora cząstek. Dlatego naukowcy biorący udział w nowym badaniu wzięli te miony i wprowadzili je do okrągłego elektromagnesu o średnicy 50 stóp. Miony podróżowały wtedy z prędkością bliską prędkości światła dookoła koła ponad 1000 razy.

Kiedy miony w maszynie rozpadają się, ultraczułe detektory mogą mierzyć, w jakim kierunku poruszają się powstałe mniejsze cząstki. Fizycy mogą następnie wykorzystać te informacje do obliczenia stałego punktu każdego mionu. Powinno być możliwe obliczenie dokładnej liczby mionów, które będą się kołysać przy użyciu standardowego modelu fizyki, który obejmuje wszystko, co wiemy o zachowaniu cząstek. Jednak zespół z Fermilab stwierdził, że chybotanie ich mionów nie spełnia tych oczekiwań. Zamiast tego zmniejszył się o jedną trzecią jednej milionowej procenta. Ta różnica może wydawać się zadziwiająco mała, ale Teubner powiedział, że jest to w rzeczywistości „kamień milowy dla fizyki cząstek elementarnych”.

gigantyczny elektromagnes

I jest mało prawdopodobne, że jest to wynikiem błędu: zespół odkrył, że istnieje tylko 1 na 40 000 szans, że rozbieżność w ich pomiarach była przypadkiem.

To mocny dowód na to, że mion jest wrażliwy na coś, co nie jest znane nam w teorii, powiedziała Renee Fatemi, jedna z kierowników eksperymentów z mionami Fermilab w komunikacie prasowym.

To nie pierwszy raz, kiedy miony nie zachowywały się w sposób, który przewidywałyby 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 chybotanie mionów w laboratorium odbiegało od tego, jakie powinno być. Jednak odkrycia te miały mniejsze znaczenie statystyczne niż te uzyskane przez Fermilab: istniała 1 szansa na 1000, że mógł to być przypadek.

Teraz wyniki Fermilab potwierdzają to, co fizycy z Brookhaven odkryli 20 lat temu – i to „uczyniło rozbieżność, która była już widoczna w przypadku starego wyniku, bardziej intrygującą” – powiedział Teubner.

Oczekuje się, że Fermilab udostępni dane z dwóch kolejnych podobnych eksperymentów w ciągu najbliższych dwóch lat. Czwarty eksperyment jest już w toku, a piąty w przygotowaniu. Cokolwiek wpływa na miony, może mieć związek z ciemną materią.

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 istniejące technologie Fermilab nie są wystarczająco czułe, aby przetestować ten pomysł. Poza tym, może się zdarzyć, że tajemniczy wpływ na miony w ogóle nie jest powiązany z ciemną materią – co oznaczałoby, że zasady fizyki są nieadekwatne pod wieloma względami.

źródło: Business Insider