Hoće li Mion g-2 dovesti do otkrića nove prirodne sile

U fizici čestica, pa i u fizici općenito, znanstvenici su došli do novih i uzbudljivih otkrića – u prirodi možda postoji još jedna, dosad nam nepoznata sila. Zaključili su to na temelju istraživanja miona. Svi su mediji objavili tu revolucionarnu novost pa su zaredali naslovi na naslovnicama: pa Pronađen jak dokaz nove prirodne sile, Je li srušen standardni model fizike čestica? Fizičari slave ključan rezultat u istraživanju miona, Produbljuje se misterij čestice nakon što su fizičari potvrdili da je mion magnetičniji nego što se mislilo, Eksperiment Mion g-2 u američkom laboratoriju Fermilab daje o postojanju novih čestica…

Za bolje razumijevanje toga važnog otkrića, evo nekih podataka o česticama. Lepton je subatomska čestica koja ne podliježe jakom međudjelovanju i ima spin ½. Šest poznatih leptona svrstano je u tri naraštaja: elektronski, mionski i tauonski leptoni. Za svaki od njih postoji antilepton, primjerice, pozitron kao antičestica elektrona. Elektron, mion i tauon imaju električni naboj i među njima se pojavljuje elektromagnetsko međudjelovanje, a druga tri, elektronski, mionski i tauonski neutrini, električki su neutralni i elektromagnetski nemaju međudjelovanja. Svi leptoni međudjeluju gravitacijskim i slabim međudjelovanjem.

Mion je lepton električnoga naboja jednakoga električnom naboju elektrona, spina ½, mase oko 207 puta veće od mase elektrona i vremena poluraspada oko 2,2 *10-6 s. Smatra se da nema unutarnju strukturu. Nakon raspada od njega najčešće nastaju elektron i dvije vrste neutrina (mionski neutrino i elektronski antineutrino). Otkrio ga je Carl David Anderson 1936. godine istraživanjem kozmičkoga zračenja s pomoću Wilsonove komore. Mioni imaju ulogu svojevrsnog prozora u svijet elementarnih čestica i potencijalno mogu biti u interakciji s još neotkrivenim česticama ili silama.

Prirodnim putem pojavljuju se pri sudarima kozmičkih zraka sa Zemljinom atmosferom. U laboratorijima ih se može proizvesti u velikom broju u ubrzivačima čestica. Više od tri četvrt stoljeća trebalo je čekati da se konačno naprave precizna mjerenje svojstava miona što je otvorilo mogućnost da ipak u prirodi postoji još jedna sila. Vjerojatno će još proći godine prije nego što se nepobitno utvrdi je li ili nije tako. Do tog trenutka znanstvenici se imaju čime zabavljati, jer mion, ili engleski muon, pokazao se česticom sasvim neočekivanih svojstava.

Sasvim nova čestica?

Što se dogodilo? Eksperiment u nacionalnom akceleratorskom laboratoriju Fermilab u predgrađu Chicaga, odnosno mjerenje anomalnog magnetskog momenta miona, o čemu je objavljen i znanstveni rad u časopisu Physical Review Letters. Nature je odmah objavio kako se radi o iznimno ohrabrujućim rezultatima za one koji se nadaju otkriti do sada nepoznate čestice. Jer, eksperiment Mion g-2 (crtica znači minus) pokrenut je s nagovještajem kako prvotni eksperiment obavljen 2001. godine u nacionalnom laboratoriju Brookhaven u Uptonu, državi New York, nije dao očekivane rezultate.

Fizičari su mjerili snagu čestičnog magnetskog momenta. Ako zamislimo mion kao malu magnetnu iglu kompasa koja se zakreće u magnetskom polju, onda nam magnetski moment daje iznos sile koja ga zakreće. Standardni model fizike čestica nalaže da bi mionov magnetski moment morao biti brojkom vrlo blizu, ali ne i jednak 2. Eksperimentom E821 Muon (g-2) u Brookhavenu ta je razlika do 2 izmjerena, ali je ipak bila većom nego se to predviđalo standardnim modelom. Kako na magnetski moment utječu elementarne čestice koje iskaču iz vakuuma da bi onda nestale djelić sekunde kasnije, znanstvenici su napravili izračune trajanja tih utjecaja.

Ako eksperiment potvrdi te izračune, odlično, ako ne, onda je moguće da postoji utjecaj i nekih drugih, do sada nepoznatih čestica. I to se dogodilo u tom prvom eksperimentu, ti se izračuni nisu potvrdili. Time se potvrdilo ono što je 1959. godine izmjereno i na CERN-u, u doba kada su svojstva miona bio potpuna enigma. Nije se znalo radi li se tek o puno težem elektronu ili nekoj sasvim novoj čestici. I tako je prvi puta pokrenut pokus g-2 s namjerom da se izmjeri njegovo ključno svojstvo, magnetski moment. Uz to tražila se i potvrda teorije kvantne elektrodinamike koja je opisivala utjecaj elektromagnetske sile na nabijene čestice poput elektrona ili miona.

Šestorica fizičara u tome su i uspjela, s mogućnošću pogreške od samo 0,4 posto. Onda je eksperiment ponavljan nakon 42 pa nakon još 20 godina ne bi li se rezultati prvoga potvrdili. Ovaj posljednji eksperiment je pokrenut 2012. godine, a sada objavljeni rezultati odnose se na prvu godinu prikupljanja podataka. Novi eksperiment podrazumijevao je gradnju potpuno nove i korištenje dijela instalacije prvog eksperimenta, prstenastog magneta promjera 15 metara koji služi za pohranu miona. Taj je prsten 2013. godine morem oko Floride, i uz rijeku Mississippi, spektakularno dopremljen iz New Yorka u više od 5 tisuća kilometara udaljeni Chicago, gdje se Fermilab nalazi.

U iduće četiri godine znanstvenici su prilagođavali i kalibrirali magnetsko polje, razvili nove tehnike, instrumente i simulacije te pažljivo testirali cijeli sustav. Imamo sreće, u svemu su sudjelovali i hrvatski znanstvenici sa Sveučilišta u Rijeci. “Svaka institucija unutar kolaboracije je bila zadužena za jedan dio eksperimenta. Tako je INFN čiji sam član bio zadužen za sustav za kalibraciju što je predstavljalo veliki izazov”, objasnio je Marin Karuza, pročelnik Odjela za fiziku Sveučilišta u Rijeci.

– Pojednostavnjeno, problem koji je trebalo riješiti bio je kako do 1296 detektora u prstenu dovesti svjetlost tako da svaki dobije jednaku količinu te da se njen intenzitet ne mijenja u vremenu – rekao je dr. Karuza. Rješenje grupe u čijem su radu sudjelovali Marin Karuza i Vedran Vujnović bilo je da se umjesto velikog broja optičkih vlakana koristi niz polupropusnih zrcala koja bi trebala stajati ispred detektora.

Vrijednosti se razlikuju

– Naš je koncept bio inovativan u ekonomskom smislu – umjesto uobičajene upotrebe vrlo jakog lasera, zahtijevao je jeftiniju opremu i nudio je veću sigurnost. Na kraju taj inovativni koncept ipak nije korišten u eksperimentu, no tehnička rješenja koja smo primjenjivali te znanje stečeno u mjerenjima u Laboratoriju za nelinearnu i kvantnu optiku NANORI i OFRI Sveučilišta u Rijeci te Znanstvenog centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore su poslije primijenjeni u sustavu za kalibraciju koji je korišten na eksperimentu – kazao je Karuza, koji ističe da se sudjelovanjem u ovakvim međunarodnim projektima stječu nova znanja i vještine koja se onda „donose“ na Sveučilište u Rijeci.

– Otvaraju se mogućnosti izrade diplomskih ili doktorskih radova za studente. Mi imamo odlične uvjete na Sveučilištu u Rijeci što se tiče opremljenosti laboratorija i računalnih resursa te motivirane i kvalitetne studente koji mogu ravnopravno sudjelovati u radu međunarodnih kolaboracija – kazao je Karuza o sudjelovanju na projektu.

Vedran Vujnović je napravio diplomski rad na tu temu mjerenja. Mion g-2 eksperiment funkcionira tako da šalje snopove miona u prsten za pohranu gdje u magnetskom polju kruže brzinom bliskoj brzini svjetlosti. Detektori postavljeni u prstenu omogućavaju znanstvenicima da bilježe koliko brzo se mioni okreću oko svoje osi. K tome su iz pokusa izuzeli neke parametre čije su vrijednosti povjerili znanstvenicima koji nisu bili uključeni u projekt. I opet isto, vrijednosti se razlikuju od teoretskih, preciznost je opet velika, a isto su u neovisnim analizama podatka potvrdile sve grupe znanstvenika uključenih u obradu.

Kombinirani rezultati iz eksperimenata u Fermilabu i Brookhavenu imaju značajnost od 4.2 sigma, što je tek nešto manje od 5 sigma koliko je uobičajeno da bi se nešto smatralo otkrićem, no svejedno se mogu smatrati znakom postojanja nove fizike, zaključak je kolaboracije. Doista sve izgleda kao da bi se standardni model fizike čestica trebao prilično temeljito preraditi. Ono što nedostaje da bi se to dogodilo jest ta neka nepoznata čestica koja utječe na mionov magnetski moment. U posljednjih 20 godina mogućnost postojanja nekih od teorijski predviđenih čestica eliminirao je Veliki hadronski sudarač u CERN-u. No, pokus u Fermilabu pokrenuo je pravu mionmaniju – tko će biti prvi znanstvenik koji će konačno srušiti standardni model fizike čestica za koji, uostalom, mnogi fizičari i vjeruju kako nije sasvim vjerodostojan. Hoće li ovaj eksperiment doista utjecati na standardni model fizike čestica, pitali smo dr. Karuzu.

– Ne bih rekao da će utjecati na standardni model za sebe. Ja bih rekao da se radi o rezultatu koji upućuje na nešto što nije predviđeno standardnim modelom, koji je otkrićem Higgsova bozona upotpunjen. Moramo znati da za donošenje konačnog suda zasad ovisimo o eksperimentalnim mjerenjima i teorijskim predviđanjima. Primjerice, postoji mogućnost da teorijski izračuni nisu potpuni te da će se u sljedećim godinama njihovi rezultati približiti eksperimentu. Naravno, to bi opet otvorilo neka nova pitanja – odgovorio je dr. Marin Karuza te se referirao na medijski atraktivne naslove o petoj prirodnoj sili: – Mogućnost da postoje do sada nepoznate čestice nije dovoljan dokaz da postoji i peta prirodna sila, no kako nam je poznato samo 5% tvari i energije koje čine svemir, sve je moguće.