wszechświat
Autor: Marcela Carena | dodano: 2021-10-27
Ukryty wszechświat

Rozbieżność pomiędzy teorią a wynikami eksperymentów może wskazywać na istnienie nieznanych sił lub cząstek.

 

Kiedy lata temu skończyłam staż naukowy w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych (CERN), w drogę powrotną wyruszyłam koleją wysokich prędkości. Gdy tylko przekroczyłam granicę między Szwajcarią a Niemcami, moją uwagę przykuły widziane przez okno scenki, które błyskawicznie przesuwały się przed moimi oczami: tu para młodych tulących się na opustoszałym peronie, po chwili starszy mężczyzna przy zardzewiałej ciężarówce bez koła, a za moment dwie nastolatki brodzące w stawie. Obrazy pojawiały się i znikały, co jednak wystarczyło, by pobudzić wyobraźnię.

Krótko przed wyjazdem skończyłam artykuł poświęcony teorii mionów, cząstek elementarnych będących cięższymi kuzynami elektronów, i wysłałam go do redakcji czasopisma, aby inni naukowcy specjalizujący się w fizyce cząstek elementarnych mogli go zrecenzować, co było konieczne do jego opublikowania. Wtedy, w pociągu, dostrzegłam pewnego rodzaju podobieństwo pomiędzy myślami, które powstawały w mojej głowie pod wpływem błyskawicznie przesuwających się obrazów, i badaniami, jakie prowadziłam. We wspomnianej pracy przeanalizowałam subtelny wpływ, jaki na miony wywierały niewidoczne cząstki „wirtualne”, aby następnie na podstawie obserwacji mionów uzyskać pełniejszy obraz naszego kwantowego wszechświata. Jako młoda teoretyczka u progu kariery dowiedziałam się o planowanych eksperymentach, których celem było właśnie zbadanie niewielkich odchyleń między obserwowanymi a przewidywanymi właściwościami mionów. Przez kilka miesięcy pracowałam w CERN nad sposobami powiązania potencjalnych rozbieżności we właściwościach mionów z tajemniczą ciemną materią wypełniającą Wszechświat i innymi zagadkami. W mojej wyobraźni sprawy toczyły się szybko: „Wspaniale, teraz zaczekam chwilę i eksperymenty rozstrzygną, czy miałam rację”. Nie spodziewałam się wtedy, że ta chwila potrwa ćwierć wieku.

Dopiero w kwietniu tego roku mogłam wysłuchać transmitowanej przez Internet prezentacji, w której badacze z mojego macierzystego ośrodka, Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) koło Chicago, podsumowali wyniki pomiarów eksperymentu Muon g–2 („g minus dwa”). Na całym świecie śledziło ją tysiące naukowców, którzy chcieli wiedzieć, czy wkrótce prawa fizyki trzeba będzie zmodyfikować. Projekt realizowany obecnie w Fermilab jest udoskonaloną kontynuacją eksperymentu z 2001 roku, w którym zaobserwowano intrygujące rozbieżności w zachowaniu mionów, na które liczyłam. Jednak 20 lat temu danych było za mało, aby wynik uznać za rozstrzygający. Teraz Chris Polly, jeden z rzeczników eksperymentu Muon g–2, przedstawiał długo oczekiwane wyniki pierwszej sesji pomiarowej eksperymentu.

Z napięciem śledziłam nowe wyniki zgodne z poprzednimi pomiarami, które mówiły, że miony nie zachowują się dokładnie tak, jak przewiduje obowiązująca dziś teoria. Uwzględniając obydwa te eksperymenty, jesteśmy już bardzo blisko progu statystycznego, który w fizyce umownie wyznacza granicę odkrycia. Co to za rozbieżność, która tak bardzo zaintrygowała mnie i innych naukowców? Dotyczy ona spinu mionów poruszających się w polu magnetycznym. Zmiany kierunku spinu, nazywamy je precesją, następują pod wpływem oddziaływania z cząstkami wirtualnymi, które w myśl dziwnych reguł mechaniki kwantowej pojawiają się w próżni i natychmiast znikają. Jeżeli oprócz znanych nam cząstek istnieją inne, one również mogą pojawiać się jako cząstki wirtualne i wpływać na spin mionów w naszych pomiarach. Eksperyment prowadzony aktualnie w Fermilab oraz jego prekursor wykazały, że precesja spinu mionów jest większa, niż można by oczekiwać, uwzględniając oddziaływania ze znanymi cząstkami. Jeżeli obserwowana rozbieżność zostanie ostatecznie potwierdzona, będzie to największy przełom w fizyce cząstek elementarnych od odkrycia bozonu Higgsa, czyli ostatniej cząstki przewidzianej przez Model Standardowy. Być może, obserwując skutki działania cząstek wirtualnych, uda się rozwikłać zagadkę ciemnej materii, a nawet odkryć nieznane dotąd siły w przyrodzie.


Ilustracja Maria Corte

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 11/2021 »
Drukuj »
Aktualne numery
12/2021
10/2020 - specjalny
Kalendarium
Grudzień
4
W 1959 r. odbył się start statku Mercury-Little Joe 2, w 1965 r. - Gemini 7, a w 1996 r. - start sondy Mars Pathfinder.
Warto przeczytać
Co wspólnego mają suknia ślubna i kombinezon sapera?    
Dlaczego dla marynarzy bardziej niebezpieczne od rekinów są krewetki?
Kiedy kurczak najlepiej sprawdza się jako broń artyleryjska?

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Marcela Carena | dodano: 2021-10-27
Ukryty wszechświat

Rozbieżność pomiędzy teorią a wynikami eksperymentów może wskazywać na istnienie nieznanych sił lub cząstek.

 

Kiedy lata temu skończyłam staż naukowy w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych (CERN), w drogę powrotną wyruszyłam koleją wysokich prędkości. Gdy tylko przekroczyłam granicę między Szwajcarią a Niemcami, moją uwagę przykuły widziane przez okno scenki, które błyskawicznie przesuwały się przed moimi oczami: tu para młodych tulących się na opustoszałym peronie, po chwili starszy mężczyzna przy zardzewiałej ciężarówce bez koła, a za moment dwie nastolatki brodzące w stawie. Obrazy pojawiały się i znikały, co jednak wystarczyło, by pobudzić wyobraźnię.

Krótko przed wyjazdem skończyłam artykuł poświęcony teorii mionów, cząstek elementarnych będących cięższymi kuzynami elektronów, i wysłałam go do redakcji czasopisma, aby inni naukowcy specjalizujący się w fizyce cząstek elementarnych mogli go zrecenzować, co było konieczne do jego opublikowania. Wtedy, w pociągu, dostrzegłam pewnego rodzaju podobieństwo pomiędzy myślami, które powstawały w mojej głowie pod wpływem błyskawicznie przesuwających się obrazów, i badaniami, jakie prowadziłam. We wspomnianej pracy przeanalizowałam subtelny wpływ, jaki na miony wywierały niewidoczne cząstki „wirtualne”, aby następnie na podstawie obserwacji mionów uzyskać pełniejszy obraz naszego kwantowego wszechświata. Jako młoda teoretyczka u progu kariery dowiedziałam się o planowanych eksperymentach, których celem było właśnie zbadanie niewielkich odchyleń między obserwowanymi a przewidywanymi właściwościami mionów. Przez kilka miesięcy pracowałam w CERN nad sposobami powiązania potencjalnych rozbieżności we właściwościach mionów z tajemniczą ciemną materią wypełniającą Wszechświat i innymi zagadkami. W mojej wyobraźni sprawy toczyły się szybko: „Wspaniale, teraz zaczekam chwilę i eksperymenty rozstrzygną, czy miałam rację”. Nie spodziewałam się wtedy, że ta chwila potrwa ćwierć wieku.

Dopiero w kwietniu tego roku mogłam wysłuchać transmitowanej przez Internet prezentacji, w której badacze z mojego macierzystego ośrodka, Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) koło Chicago, podsumowali wyniki pomiarów eksperymentu Muon g–2 („g minus dwa”). Na całym świecie śledziło ją tysiące naukowców, którzy chcieli wiedzieć, czy wkrótce prawa fizyki trzeba będzie zmodyfikować. Projekt realizowany obecnie w Fermilab jest udoskonaloną kontynuacją eksperymentu z 2001 roku, w którym zaobserwowano intrygujące rozbieżności w zachowaniu mionów, na które liczyłam. Jednak 20 lat temu danych było za mało, aby wynik uznać za rozstrzygający. Teraz Chris Polly, jeden z rzeczników eksperymentu Muon g–2, przedstawiał długo oczekiwane wyniki pierwszej sesji pomiarowej eksperymentu.

Z napięciem śledziłam nowe wyniki zgodne z poprzednimi pomiarami, które mówiły, że miony nie zachowują się dokładnie tak, jak przewiduje obowiązująca dziś teoria. Uwzględniając obydwa te eksperymenty, jesteśmy już bardzo blisko progu statystycznego, który w fizyce umownie wyznacza granicę odkrycia. Co to za rozbieżność, która tak bardzo zaintrygowała mnie i innych naukowców? Dotyczy ona spinu mionów poruszających się w polu magnetycznym. Zmiany kierunku spinu, nazywamy je precesją, następują pod wpływem oddziaływania z cząstkami wirtualnymi, które w myśl dziwnych reguł mechaniki kwantowej pojawiają się w próżni i natychmiast znikają. Jeżeli oprócz znanych nam cząstek istnieją inne, one również mogą pojawiać się jako cząstki wirtualne i wpływać na spin mionów w naszych pomiarach. Eksperyment prowadzony aktualnie w Fermilab oraz jego prekursor wykazały, że precesja spinu mionów jest większa, niż można by oczekiwać, uwzględniając oddziaływania ze znanymi cząstkami. Jeżeli obserwowana rozbieżność zostanie ostatecznie potwierdzona, będzie to największy przełom w fizyce cząstek elementarnych od odkrycia bozonu Higgsa, czyli ostatniej cząstki przewidzianej przez Model Standardowy. Być może, obserwując skutki działania cząstek wirtualnych, uda się rozwikłać zagadkę ciemnej materii, a nawet odkryć nieznane dotąd siły w przyrodzie.


Ilustracja Maria Corte