2
« στις: Ιουνίου 10, 2010, 18:43:52 »
Παραθέτω άρθρο της ιστοσελίδας physics4u.gr που έχει ως πήγη το περιοδικό New Scientist και αναφέρει την πρώτη σημαντική διαφωνία του Καθιερωμένου Μοντέλου (Standard Model) της Κβαντομηχανικής με τα πειράματα υπολογισμού της μαγνητικής ροπής του μιονίου.
Ένα πείραμα με μιόνιο ίσως δείχνει την πρώτη σημαντική ρωγμή στο καθιερωμένο μοντέλο
Το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής είναι σαν το άναρχα δομημένο κάστρο Gormenghast - μιας γνωστής νουβέλας -, όπου κατασκευάστηκε κτίζοντας συνεχώς καινούργια δωμάτια ανάλογα με τις προκύπτουσες ανάγκες, που δεν στηρίχτηκε δηλαδή εξαρχής σε ένα καθορισμένο σχέδιο. Το μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής κτίστηκε για να στεγάσει μια εξήγηση σε επίπεδο σωματιδίων για ολόκληρο το σύμπαν, και αυτό το πετυχαίνει σε πολλά σημεία.
Μερικοί φυσικοί ψάχνουν τώρα να αναστρέψουν τα παραρτήματα του για να βολέψουν το μποζόνιο Higgs, την σκοτεινή ύλη και το γκραβιτόνιο (βαρυτόνιο), αν βεβαίως αυτά μπορούν να βρεθούν. Άλλοι σκέφτονται ότι η δομή πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά, και έχουν δουλέψει πάνω σε νέα σχέδια για να "μεγαλώσουν το κάστρο" βασισμένοι σε ιδέες, όπως είναι η θεωρία των χορδών. Το πρόβλημα είναι, ότι είναι σχεδόν αδύνατο να πούμε εάν αυτά τα σχέδια είναι ρεαλιστικά, ή είναι απλά φανταστικές κατασκευές μέσα σε σύννεφα.
Ακόμη και εκείνοι που δεν θέλουν να ρίξουν το "κάστρο" δεν θα τους πείραζε να δοκιμάσουν την αντοχή του καθιερωμένου μοντέλου, χρησιμοποιώντας κάποιο μεγάλο πυροβολικό. Αυτός είναι ο κύριος λόγος για την κατασκευή του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), η μεγαλύτερη μηχανή που έχει κτιστεί ποτέ για πειράματα σωματιδίων κοντά στη Γενεύη.
Θα ανοίξει το μιόνιο ρωγμή στο προπύργιο της σωματιδιακής φυσικής;
Αποτελέσματα που βγήκαν μέσα από βασανιστικά πειράματα δείχνουν ότι έχει τους αριθμούς με την πλευρά της
Ωστόσο, αρκετές μικρότερες ομάδες χρησιμοποιούν με επιτυχία μια πιο ήπια προσέγγιση, κτυπώντας τα αδύναμα σημεία του κάστρου του καθιερωμένου μοντέλου. Μεταξύ αυτών, ένα πείραμα με μιόνια, ξεχωρίζει γιατί λέγεται ό,τι μπορεί να είναι η πρώτη μεγάλη ρωγμή στο οικοδόμημα του καθιερωμένου μοντέλου.
Εδώ και χρόνια η επιστημονική συνεργασία E821, που βασίζεται στο Εργαστήριο Brookhaven, μελετάει τα μιόνια. Αυτά τα σωματίδια είναι ασταθή παρόμοια με τα ηλεκτρόνια, αλλά κάπου 200 φορές πιο βαριά. Η έρευνα εστιάστηκε σε μια κβαντική ιδιότητα, την μαγνητική ροπή των μιονίων και βρήκε ότι το καθιερωμένο μοντέλο είναι ελλιπές. Σύμφωνα με τις μετρήσεις, υπάρχει μία 0,27 τοις εκατό πιθανότητα το καθιερωμένο μοντέλο να είναι σωστό.
Οι πιθανότητες ώστε η ομάδα E821 να έχει ανακαλύψει μια ρωγμή στο πεδίο της φυσικής, όπως την γνωρίζουμε, είναι αρκετές αλλά χρειαζόμαστε πιο ακριβείς μετρήσεις για να είμαστε σίγουροι. Μια νέα επιστημονική έρευνα που ονομάζεται P989 σχεδιάζει ένα πείραμα που έχει ως στόχο να φτάσει το είδος της ακρίβειας που απαιτείται. Κι όχι μόνο αυτό, αυτοί ελπίζουν να μετρήσουν τη μαγνητική ροπή που θα μας αποκαλύψει νέα φαινόμενα που υπερβαίνουν τις δυνατότητες ακόμη και του ισχυρού επιταχυντή LHC.
Η ιστορία της μαγνητικής ροπής του μιονίου χρονολογείται από το 1928, όταν ο Βρετανός φυσικός Paul Dirac επινόησε εξισώσεις που περιγράφουν τον τρόπο που συμπεριφέρονται τα κβαντικά σωματίδια κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Τα μιόνια και τα ελαφρύτερα ξαδέλφια τους, τα ηλεκτρόνια, μπορούν να θεωρηθούν σαν στρεφόμενες φορτισμένες μπάλες, οι οποίες δημιουργούν ένα μικροσκοπικό μαγνητικό πεδίο - τη μαγνητική ροπή.
Ο Dirac υπολογίζεται ότι μια σχετική ποσότητα που ονομάζεται παράγοντας-g πρέπει να είναι ακριβώς 2 για τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια. Όταν οι ερευνητές μέτρησαν τελικά τη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου, σχεδόν 20 χρόνια αργότερα, διαπίστωσαν ότι ήταν ελαφρώς υψηλότερη από 2. Το 1948, αυτοί πηγαίνοντας να θέσουν τα θεμέλια του καθιερωμένου μοντέλου συνειδητοποίησαν ότι ο λόγος για την «ανώμαλη» μαγνητική ροπή βρίσκεται στα φευγαλέα αποτελέσματα των εικονικών (virtual) σωματιδίων, οντότητες που εμφανίζονται μόνο για να εξαφανιστούν και πάλι για μια στιγμή.
Ο παράγοντας g
Στην πραγματικότητα, η μαγνητική ροπή είναι τόσο ευαίσθητη που επηρεάζεται από την παρουσία σωματιδίων άγνωστα στις μέρες του Dirac, συμπεριλαμβανομένων των κουάρκ, των μποζονίων W και Z καθώς και από το μποζόνιο Higgs. Πράγματι, η κβαντική μηχανική μας λέει ότι οι εικονικές εκδόσεις των κάθε είδους σωματιδίων - συμπεριλαμβανομένων και εκείνων που δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη - μπορούν να αναδυθούν στον πραγματικό μας κόσμο, δανειζόμενα κάποια απειροελάχιστη ενέργεια για μια στιγμή (αρχή της απροσδιοριστίας). Το φαινόμενο αυτό μας δίνει κάποιες πιθανότητες, ακόμα και για σωματίδια που είναι πολύ βαριά και δύσκολο να τα φτιάξουμε στο εργαστήριο - ακόμη και στον πιο ισχυρό επιταχυντή όσο είναι ο LHC - να μπορούμε να τα ανιχνεύσουμε. "Βασικά, κάτι το οποίο δεν είναι αυστηρά απαγορευμένο επιτρέπεται," λέει ο David Kawall στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Amherst, επαναλαμβάνοντας μια φράση του συγγραφέα επιστημονικής φαντασίας T. H. White The Once and Future King,
Το μιόνιο επηρεάζεται πολύ περισσότερο από το ηλεκτρόνιο, λόγω της μεγαλύτερης μάζας του. Κι αυτό επειδή έχει περισσότερη ενέργεια διαθέσιμη να δανειστούν τα εικονικά σωματίδια. Η μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου είναι ένα από τα πιο επαληθευμένα μεγέθη που προβλέπει το καθιερωμένο μοντέλο. Δεν ισχύει όμως το ίδιο για τα μιόνια. Τα πρώτα σημάδια ότι όλα δεν ήταν και τόσο καλά, ήρθαν λίγο μετά το πείραμα E281 στο μέσα του 1990.
Μόλις αυτά τα σημάδια εμφανίστηκαν, τα μιόνια διασπώνται σχεδόν 200.000 φορές πιο γρήγορα από ό,τι μπορείτε να ανοιγοκλείσετε το μάτι σας, γι αυτό και απαιτείται ένα ειδικό τέχνασμα προκειμένου να μετρηθεί η μαγνητική ροπή τους. Εδώ προσφέρεται ευγενικά η σχετικότητα. Ο χρόνος επιβραδύνεται για τα μιόνια αν τα επιταχύνουμε κοντά στην ταχύτητα του φωτός, εξασφαλίζοντας έτσι ότι αυτά μένουν 'άθικτα' για αρκετό χρόνο ώστε να τα μελετήσουμε.
Για να φτιάξει μιόνια, η ομάδα E821 έβαλε μια δέσμη πρωτονίων να συγκρουστεί με μια σειρά από δίσκους νικελίου, δημιουργώντας έτσι ένα ντους από άλλα σωματίδια. Ορισμένα από αυτά (πιόνια) διασπάστηκαν σε μιόνια, τα οποία αποθηκεύονται γρήγορα με την διοχέτευση τους σε ένα επιταχυντή σχήματος ντόνατ, όπου χρησιμοποιούνται ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες για να κινούνται σωστά γύρω από το δακτύλιο. (κλικ για μεγέθυνση της εικόνας)
Ένα μιόνιο που περιστρέφεται συμπεριφέρεται σαν ένας μικρός μαγνήτης. Ακριβώς όπως δύο μαγνήτες σε μικρή απόσταση ασκούν δυνάμεις ο ένας στον άλλο, έτσι και το μαγνητικό πεδίο του μιονίου αλληλεπιδρά με το πεδίο του ηλεκτρομαγνήτη στον επιταχυντή. Αυτό αναγκάζει τον άξονα του σπιν των μιονίων να στρέφεται κατά μία γωνία που εξαρτάται από τη μαγνητική ροπή του. Αν ο παράγοντας g του μιονίου ήταν ακριβώς 2, τότε ο άξονας περιστροφής του θα ήταν πάντα προς την ίδια κατεύθυνση με την πορεία του. Αλλά τα εικονικά σωματίδια που αναδύονται και εξαφανίζονται αυτοστιγμής γύρω από τα μιόνια, αναγκάζουν τον παράγοντα g να είναι ελαφρώς μεγαλύτερος κι όχι 2. Έτσι, αναγκάζεται ο άξονας περιστροφής του μιονίου να γλιστράει, καθώς περιστρέφεται γύρω από το δακτύλιο.
Για τον προσδιορισμό της μαγνητικής ροπής, η ερευνητική ομάδα E821 περίμενε μέχρι το μιόνιο να διασπαστεί σε ένα ηλεκτρόνιο. Μια σειρά από ανιχνευτές τοποθετημένοι γύρω από το δακτύλιο της συσκευής μετρούσαν την ενέργεια και τη διαδρομή του ηλεκτρονίου. Από τις πληροφορίες αυτές, η ομάδα ήταν σε θέση να ενώσει μαζί το μέγεθος του σπιν των μιονίων και να υπολογίσετε τον συντελεστή g.
Το μιόνιο δημιουργεί το δικό του πεδίο εξ αιτίας του σπιν και του φορτίου του. Αν όμως εκεί κοντά αναδύονται άλλα σωματίδια από το κενό τότε επηρεάζουν το μαγνητικό πεδίο του μιονίου
Όταν η ομάδα E821 ολοκλήρωσε το πείραμα, τα μέλη της ήταν συγκλονισμένοι από αυτό που βρήκαν. ο παράγοντας g του μιονίου δεν ήταν κοντά στην τιμή που αναμενόταν από τη θεωρία. Στην πραγματικότητα, η τιμή ήταν τόσο εξωφρενικά διαφορετική που τους οδήγησε να υπολογίσουν μια 0,27% πιθανότητα το καθιερωμένο μοντέλο να ταιριάζει με την πραγματικότητα. Είτε το κανονικό μοντέλο είναι σωστό και η γνώση του παράγοντα g του μιονίου εντός του πλαισίου αυτού είναι ελλιπής, ή το καθιερωμένο πρότυπο είναι λάθος.
Το πείραμα E821 έγινε το 2001, αλλά το αποτέλεσμά του ακόμα και σήμερα συζητείται έντονα. Ο επιταχυντής LHC είναι 600 φορές μεγαλύτερος από ό,τι ο επιταχυντής των 14-μέτρων του E821, και 900 φορές πιο ισχυρός, αλλά το πείραμα E821 συνεχίζει να στέκεται πιο ψηλά. Δεν υπάρχει άλλη μέτρηση που να είναι σε τέτοια έντονη αντίθεση με το καθιερωμένο μοντέλο.
Γνωρίζοντας πόσο αιρετικά είναι ακόμα τα αποτελέσματα του E821, ο Ιταλός Massimo Passera στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής στην Πάντοβα, μαζί με τον William Marciano στο Brookhaven και τον Alberto Sirlin στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, εξέτασαν τη δυνατότητα ότι η θεωρητική πρόβλεψη του καθιερωμένου μοντέλου για τη μαγνητική ροπή του μιονίου να είχε υπολογισθεί λανθασμένα.
Από όλα τα πιθανά σωματίδια που μπορούν να επηρεάσουν, το λιγότερο κατανοητό είναι η συμβολή των αδρονίων - τα σωματίδια που αποτελούνται από κουάρκς. Ο Passera και οι συνάδελφοί του αναρωτήθηκαν τι θα συνέβαινε εάν αυξήσουν την επίδραση των αδρονίων για να φέρουν την θεωρητική μαγνητική ροπή του μιονίου σε συμφωνία με το πείραμα του E821.
Το πρόβλημα με - ή η ομορφιά της, ανάλογα με την άποψή σας - το καθιερωμένο μοντέλο είναι ότι δεν μπορείτε να κάνετε αλλαγές σε ένα μέρος χωρίς αυτές να επηρεάζουν άλλα μέρη. Έτσι, η αύξηση της επίδρασης των αδρονίων πάνω στην μαγνητική ροπή του μιονίου, αναγκάζει τη θεωρητική μάζα του μποζονίου W να μειωθεί. Ωστόσο, τη μάζα του μποζονίου W περιορίζεται αυστηρά από τα πειράματα, και έτσι πρέπει να αλλάξει κάτι άλλο για να εξηγήσει το αποτέλεσμα του E821.
Αυτό το κάτι άλλο είναι η μάζα του μποζονίου Higgs. Κανένα Higgs δεν εντοπίσαμε ποτέ έως τώρα, και δεν ξέρουμε τη μάζα του. Ωστόσο προηγούμενα πειράματα στο CERN έχουν αποκλείσει τιμές κάτω των 114 GeV ενώ το κανονικό μοντέλο δείχνει ότι είναι λιγότερο από 160 GeV.
Ο Passera μαζί με τους άλλους συνάδελφους του αναρωτήθηκε πώς επηρεάζουν οι διάφορες πιθανές μάζες Χιγκς την μαγνητική ροπή του μιονίου. Για να ταιριάζει με το αποτέλεσμα του E821, οι υπολογισμοί τους δείχνουν ότι η μάζα Higgs είναι πολύ χαμηλότερη από 114 GeV, η οποία έχει ήδη αποκλειστεί. Άρα αυτό δημιουργεί τη δυσάρεστη πιθανότητα ότι το καθιερωμένο μοντέλο είναι λάθος, εφ 'όσον τα αποτελέσματα του πειράματος E821 είναι καλά.
Όμως, υπάρχουν και κάποια περιθώρια στους υπολογισμούς του Passera. Δείχνουν ότι το ανώτατο όριο για τη μάζα Higgs μπορεί να είναι 135 GeV. Αυτό πάλι φαίνεται δυσάρεστο, διότι περιορίζει το εύρος των πιθανοτήτων στο πλαίσιο του καθιερωμένου μοντέλου και αυτό σημαίνει ότι είναι πιο πιθανό να είναι λάθος.
Αλλά ότι είναι κακές ειδήσεις για το καθιερωμένο μοντέλο είναι καλή είδηση για τους φυσικούς που προσπαθούν να το ανακαινίσουν. Η διαφωνία μεταξύ των πειραματικών και θεωρητικών τιμών για τον παράγοντα g των μιονίων δείχνει ότι τα ως τώρα μη ανακαλυφθέντα σωματίδια είναι δυνατόν να συμβάλλουν, θολώνοντας τα πειραματικά νερά. Μεταξύ των πρωτοπόρων είναι τα υπερσυμμετρικά σωματίδια - θεωρητικοί βαρέων βαρών εταίροι για κάθε ένα από τα γνωστά μας σωματίδια.
"Υπάρχουν υπερσυμμετρικές θεωρίες που θα μπορούσαν να εξηγήσουν αυτή την ασυμφωνία πολύ καλά", λέει ο Passera.
Παρ όλα αυτά, οι φυσικοί έχουν περιορίσει τον ενθουσιασμό τους, μέχρι πιο ακριβείς μετρήσεις να επιβεβαιώσουν ή να απομυθοποιήσουν την διαφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος.
Και εδώ εμφανίζονται οι David Kawall (Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Amherst), και David Hertzog (Πανεπιστήμιο Urbana-Champaign του Illinois) με το πείραμα P989. Οι τελευταίοι έχουν σχέδια για να κάνουν το επόμενο πείραμα του παράγοντα g του μιονίου στο εργαστήριο Fermilab. Οι εγκαταστάσεις του επιταχυντής θα πρέπει να είναι σε θέση να δώσουν έξι φορές περισσότερα μιόνια από ό,τι χρησιμοποιούνται στο E821, ενώ ο δακτύλιος αποθήκευσης θα πρέπει να συμπληρώνεται τέσσερις φορές πιο συχνά. Αυτό σημαίνει ότι σε ένα μόλις χρόνο, το νέο πείραμα P989 θα μπορούσε να συγκεντρώσει 20-πλάσια δεδομένα, από το σύνολο του πειράματος E821, οπότε θα μειωθούν οι αβεβαιότητες σχετικά με τη μέτρηση. Διάφορες δε μελέτες έχουν διαπιστώσει ότι θα μπορούσαν να επιτύχουν την ακρίβεια που απαιτείται για να κάνουν τελικά μια οπή στο οικοδόμημα του καθιερωμένου μοντέλου.
Για να πάρει υψηλότερο αριθμό δεδομένων, η ομάδα του P989 θα χρειαστεί ολοκληρωτικά νέους ανιχνευτές για τα ηλεκτρόνια, αλλά άλλα τμήματα του πειράματος E821 θα ανακυκλωθούν. Για παράδειγμα ο ηλεκτρομαγνήτης του των 680 τόνων θα ταξιδέψει από το Upton στην Batavia με έναν συνδυασμό γερανού, φορτηγίδας και σιδηροδρόμων.
"Θα μπορούσε να είναι έτοιμο στα τέλη του 2014, ανάλογα με τη χρηματοδότηση", υποστηρίζει ο Hertzog.
(Υπάρχει και τρίτο μέρος που θα δημοσιευσεί προσεχώς)
Εμφάνιση μηνυμάτων