Fermilabův experiment Muon g-2 konečně dává částicovým fyzikům náznak toho, co se skrývá za standardním modelem
Od dlouho očekávaného odhalení Higgsův boson v roce 2012 zkoumali částicoví fyzici hlouběji do subatomární říše v naději, že prozkoumají za hranicemi Standardní model částicové fyziky . Doufají, že tak potvrdí existenci dříve neznámých částic a existenci exotické fyziky a také se dozvědí více o tom, jak vznikl vesmír.
Na Fermiho národní laboratoř urychlovačů (aka. Fermilab), výzkumníci prováděli Experiment s mionem g-2 , která nedávno oznámila výsledky jejich prvního běhu . Díky bezprecedentní přesnosti svých přístrojů tým Fermilab zjistil, že miony v jejich experimentu se nechovaly způsobem, který by byl v souladu se standardním modelem, čímž se vyřešil rozpor, který existoval již desítky let.
Experimenty zahrnující miony začaly před desítkami let v Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) a byly provedeny nedávno v Brookhaven National Laboratory (BNL) v New Yorku. V roce 2011 Fermilab převzal místo tam, kde BNL skončil, a začal své výkonné urychlovače věnovat zkoumání interakcí mionových částic s krátkou životností se silným magnetickým polem ve vakuu.
Podobně jako elektrony (ale s 200krát větší hmotností) se miony přirozeně vyskytují, když kosmické záření dopadá na zemskou atmosféru. Další podobností je způsob, jakým se miony chovají jako rotující magnety, jejichž síla určuje rychlost, s jakou precesují (gyrují) ve vnějším magnetickém poli (a je známá jako „faktor g“).'). V případě mionů je jejich g-faktor o něco větší než 2 (odtud název experimentu).
Účelem experimentu Mion g-2 je prozkoumat rychlost precese mionů, když jsou vystaveny silnému magnetickému poli. Měřením jejichG-faktorem s přesností 0,14 části na milion (ppm), vědci, kteří tvoří Muon g?2 Collaboration, doufají, že zjistí, zda je jejich chování v souladu s předpověďmi provedenými Standardním modelem (SM). Pokud ne, znamenalo by to, že existuje fyzika, která přesahuje SM, se kterou je třeba počítat.
Graziano Venanzoni, fyzik v Italský národní institut pro jadernou fyziku (INFN), je také spolumluvcem experimentu Muon g-2. Jak oznámil 7. dubnačt, během semináře, kde byly zveřejněny výsledky prvního běhu, byly výsledky v rozporu s tím, co předpovídá SM:
„Dnes je mimořádný den, dlouho očekávaný nejen námi, ale i celou mezinárodní fyzikální komunitou. Velké množství zásluh patří našim mladým výzkumníkům, kteří nám svým talentem, nápady a nadšením umožnili dosáhnout tohoto neuvěřitelného výsledku.“
Předchozí experiment na BNL amerického ministerstva energetiky, který byl uzavřen v roce 2001, nabídl první náznaky, že miony se nechovají způsobem, který je v souladu se standardním modelem. První výsledky z Fermilabova experimentu Muon g-2 – dosud nejpřesnější – se silně shodují s výsledky získanými výzkumným týmem BNL. Srdcem obou experimentů je 15,25metrový (50 stop) supravodivý magnetický úložný prstenec.
Magnet Muon g-2 dorazí do Fermilabu v roce 2013. Kredit: Reidar Hahn, Fermilab
Tato složka byla přepravena do Chicaga v roce 2013, kde byla integrována s urychlovačem částic Fermilab, aby vytvořila nejintenzivnější paprsek mionů v jakékoli laboratoři v USA. Tento paprsek je směrován do zásobního prstence, kde jsou miony urychlovány na rychlosti téměř rychlosti světla. Jak miony cirkulují tisíckrát, interagují s krátkodobými subatomárními částicemi, které neustále vyskakují a zanikají ve vakuu.
Tyto interakce na kvantové úrovni ovlivňují hodnotu g-faktoru, což způsobuje zrychlení nebo zpomalení precese mionů. To má za následek to, co je známé jako „anomální dipólový magnetický moment“, kde účinky interakcí přispívají k magnetickému momentu částice. Tento efekt je něco, co SM předpovídá s extrémní přesností, ale přítomnost dalších sil mimo SM nebo částice by měla další účinek.
Výsledky získané Fermilabem a BNL ukázaly na anomální magnetický moment, který se lišil od toho, co předpovídá SM, s významností 4,2 sigma. Kromě toho vědci zjistili, že existuje pouze pravděpodobnost 1 ku 40 000, že jejich výsledky byly způsobeny statistickou fluktuací. Řekla Renee Fatemi, fyzička z University of Kentucky a manažerka simulací pro experiment Muon g-2:
'Toto množství, které měříme, odráží interakce mionu se vším ostatním ve vesmíru.' Ale když teoretici vypočítají stejné množství pomocí všech známých sil a částic ve standardním modelu, nedostaneme stejnou odpověď. To je silný důkaz, že mion je citlivý na něco, co není v naší nejlepší teorii.'
'Odhalení jemného chování mionů je pozoruhodný úspěch, který povede v nadcházejících letech hledání fyziky za standardní model,' dodal zástupce ředitele výzkumu Fermilab Joe Lykken. 'Toto je vzrušující doba pro výzkum částicové fyziky a Fermilab je v popředí.'
První výsledek z experimentu Muon g-2 potvrzuje výsledek z experimentu provedeného v BNL před dvěma desetiletími. Kredit: Spolupráce Ryan Postel/Fermilab/Muon g-2
I když jsou tyto výsledky o něco menší než standardní odchylka 5 sigma, která je vyžadována pro deklaraci pozitivního výsledku, je to přesto silný náznak další fyziky. Mezitím je tým ve Fermilabu zaneprázdněn analýzou dat získaných během druhého a třetího běhu experimentu, aby zjistil, zda by tyto mohly získat ještě přesvědčivější výsledky. Čtvrtý běh probíhá a pátý je plánován v budoucnu.
Kombinace výsledků ze všech pěti běhů poskytne výzkumníkům ještě přesnější měření g-faktoru mionu. Po desetiletích výzkumu mohou vědci konečně zjistit, zda se v kvantové pěně, která prostupuje časem a prostorem, skrývá další fyzika. Řekl to vědec z Fermilabu Chris Polly, vedoucí postgraduální student experimentu v Brookhavenu a spolumluvčí současného experimentu:
„Po 20 letech, které uplynuly od konce brookhavenského experimentu, je tak potěšující, že konečně můžeme tuto záhadu vyřešit. Zatím jsme analyzovali méně než 6 % dat, která experiment nakonec shromáždí. Ačkoli nám tyto první výsledky říkají, že existuje zajímavý rozdíl oproti standardnímu modelu, v příštích několika letech se dozvíme mnohem více.'
Zjištění týmu Fermilab byly také sdíleny 7. dubnačtv novinách, které se objevily v Fyzické kontrolní dopisy . Muon g?2 Collaboration je mezinárodní konsorcium, které zahrnuje členy z výzkumných ústavů a univerzit v USA, Itálii, Rusku, Jižní Koreji a Německu.
Další čtení: Fermilab
