Fermilab izmeril lastnost miona, ki ni v skladu s standardnim modelom

Raziskovalci iz eksperimenta Muon g-2 v Fermilabu so na današnji novinarski konferenci, ki je sovpadala z objavo znanstvenega članka v Physical Review Letters, predstavili rezultate meritev anomalnega magnetnega momenta mionov, ki ga po njihovi interpretaciji ni možno razložiti z uporabno standardnega modela.

Standardni model vsebuje 17 osnovnih delcev, ki se delijo v dve vrsti kvarkov in dve vrsti leptonov s po tremi generacijami (skupno 12 delcev, ki so fermioni) in pet bozonov, ki so nosilci interakcij. Od odkritja Higgsovega bozona smo eksperimentalno potrdili obstoj vseh v modelu napovedanih delcev, kar pa ne pomeni, da je delo fizikov končano. Standardni model ne ve nič o gravitaciji, ki jo opisuje splošna teorija relativnosti. Prav tako je v vesolju še nekaj nepojasnjenih pojavov, denimo izvor in oblika temne mase in energije. To kaže, da standardni model, čeprav je odličen pripomoček za delo, ne more biti dokončna teorija vsega. Iščejo se torej načini, kako jo dopolniti, kjer ne gre le za povezavo s teorijo relativnosti, temveč tudi za morebitna odkritja novih delcev ali interakcij, ki jih ne opisuje.

Mioni so delci druge generacije, torej so težji od elektronov, a lažji od delcev tau. Ni jih težko najti ali proizvesti, imajo pa zanimive lastnosti. Ena izmed njih je anomalni magnetni moment, ki je pri elektronih nemerljiv, pri mionih pa z njim preverjamo delovanje standardnega modela. Zaradi interakcije z virtualnimi delci, ki ves čas nastajajo in izginjajo (ker so kratkoživi, ne kršijo Heisenbergovega načela nedoločnosti), njihov Landejev g-faktor ni enak 2, kot je klasična napoved, temveč se malenkostno razlikuje. Vrednost tega faktorja za različne osnove delce sodi med najbolje izmerjene (in izračunane) fizikalne konstante.

Prvi eksperiment Muon g-2, ki je tekel med leti 1997-2001, je na koncu izmeril vrednost g, ki se ni povsem ujemala z napovedmi standardnega modela. Odstopanje je imelo sigma vrednost 3,7, kar je manj od zahtevane sigme 5 za odkritje. A vendarle, rezultat je bil pomenljiv in terjal nadaljnje raziskave. Z dodatnimi podatki večina odkritij s sigma 3 izgine v šumu, ta pa ni.

Najnovejši eksperiment v Fermilabu pa je pokazal, da je izmerjena vrednost različna od izračunane s signifikantnostjo 4,2 - oziroma z verjetnostjo 1:40.000, da gre za naključje. To je ponovno premalo, da bi šlo za odkritje, a kaže, da je nekaj na tem, kar terja podrobnejšo raziskavo. Odkritje bodo poizkušali preveriti in potrditi še v drugih pospeševalnikih delcev, denimo v japonskem J-PARC-u.

Za zdaj še ni rečeno, da bomo dobili novo fiziko. Prvič, dokler odkritje ni neodvisno potrjeno še drugod z vsaj sigma 5, formalno ne gre za odkritje. Drugi pomemben dejavnik pa je novi članek v reviji Nature, kjer drugi raziskovalci dokazujejo, da je izmerjeni faktor g v resnici v skladu z napovedmi standardnega modela. Prav današnja objava ni nič posebnega, saj je bil rokopis na arXivu dostopen že več mesecev. Če se bo izkazalo, da je njihov izračun pravilen - v resnici so se posvetili natančnejši oceni najmanj zanesljivega vhodnega podatka - bo odkritje Fermilaba pomembno, saj bo revidiralo vrednost faktorja g za mion, a ne bo ovrglo standardnega modela. Četudi bi ga, pa to seveda ne pomeni, da bo letel v koš. Tudi Newtonova fizika je napačna, a je za večino zemeljskih potreb povsem zadostna, zato jo še vedno uporabljajo in se je učimo.