Mion g-2 osvojio Breakthrough Prize: najprecizniji eksperiment u povijesti fizike elementarnih čestica

Kolaboracija Mion g-2, koja uključuje istraživače iz CERN-a, Nacionalnog laboratorija Brookhaven i Ferlaba, dobila je u subotu Breakthrough Prize za fundamentalnu fiziku. Nagrada vrijedi tri milijuna dolara i dodijeljena je za dosad najpreciznije mjerenje jednog od temeljnih kvantnih parametara, takozvane g-2 vrijednosti miona. Cilj je bila preciznost od 140 dijelova na milijardu. Dostigli su 127.

Ali rezultat ne donosi odgovor. Donosi naoštreno pitanje.

Mion je fundamentalna čestica slična elektronu, ali znatno teža, koja prolazi kroz vaše tijelo svake sekunde zahvaljujući kozmičkim zrakama koje neprestano udaraju u Zemljinu atmosferu. Kao i elektron, nosi električni naboj i ima magnetski moment, veličinu koja opisuje koliko snažno čestica reagira na magnetsko polje. Ta veličina formalno se zove g-faktor. U klasičnoj fizici iznosio bi točno 2. U kvantnoj mehanici nije, jer se čestica nikad ne nalazi sama: stalno je okružena takozvanim virtualnim česticama koje trepću u i iz postojanja u vakuumu. Taj efekt fizičari slikovito zovu kvantnom pjenom, i upravo ona gura vrijednost g iznad 2. Razlika između izmjerene vrijednosti i broja 2 jest g-2, i upravo tu razliku eksperiment mjeri s opsesivnom preciznošću.

Potraga

Potraga za preciznim mjerenjem traje desetljećima. Počela je na CERN-u 1960-ih, nastavila se u Brookhavenu, a ključni dio opreme fizički je prevezen u Illinois 2013. u logističkom pothvatu koji je u fizikalnoj zajednici stekao status legende. “Fermilab eksperiment je 34.000 puta precizniji od g-2 eksperimenta iz 1965. na CERN-u”, rekao je David Hertzog, bivši suvoditelj projekta Mion g-2. “Svaki put smo morali nadograđivati katalog tisuća i tisuća malih procesa koji se mogu dogoditi.” Iza svake decimale preciznosti stoje stotine fizičara iz desetaka zemalja koji su godinama usklađivali rad kako bi dobili jedan jedini broj.

Standardni model fizike elementarnih čestica najuspješnija je teorija u povijesti znanosti: predvidio je postojanje Higgsovog bozona, opisuje tri od četiri fundamentalne sile i prolazi test za testom. Ali gravitacija u njega ne staje, tamna tvar i tamna energija su mu neuhvatljive, i fizičari odavno znaju da mora biti nečega izvan modela. Mjerenje g-2 tradicionalno je jedan od najpreciznijih alata za traženje te nove fizike. Ako izmjerena vrijednost ne odgovara teorijskoj predikciji, to može značiti da u kvantnoj pjeni postoje čestice koje još nismo otkrili ni na jednom akceleratoru.

Najnoviji rezultati

Najnoviji rezultat Ferlaba slaže se s relativno novom teorijskom metodom zvanom rešetkasta kromodinamika kvantnih polja (od engleskog lattice quantum chromodynamics, kratica lattice QCD), koja izravno računa doprinos hadronske vakuumske polarizacije (HVP), jednog od najvećih izvora nesigurnosti u teorijskoj vrijednosti g-2. Hadroni su čestice građene od kvarkova, uključujući protone i neutrone. Zvuči kao proboj. Ali nije, ili barem ne jasno.

Ista metoda ne slaže se s desetljećima eksperimentalnih podataka dobivenih sudarima elektrona i pozitrona, kojima se HVP dosad procjenjivao. Eksperiment i nova teorija međusobno se slažu, ali oboje odskaču od starijih mjerenja. “Pitanje sada zapravo jest: tko je u pravu? Eksperimentalni ulazni podaci ili lattice QCD?” rekao je Chris Polly, fizičar Ferlaba i suvoditelj projekta. “Nećemo znati sa sigurnošću je li g-2 na Ferlabab otkrio novu fiziku dok ne razumijemo što je razlika između tih dvaju određivanja teorije.”

Breakthrough Prize nagrađuje kolektiv, ne pojedince, što su i Polly i Hertzog istaknuli kao posebno važan signal. Tri milijuna dolara dijeli se među stotinama članova kolaboracije rasutih po cijelom svijetu. Na Ferlabab istraživanja ne staju: eksperiment Mu2e nastavlja ispitivati standardni model kroz drugačiji kut, prateći moguću pretvorbu miona u elektron, proces koji model predviđa, ali koji nikad nije izravno izmjeren.

Podijeli članak