Miuonai - svarbus atradimas fizikoje!
Kas įvyksta, kai teorija nesutampa su eksperimento rezultatais? Tokiu atveju aš dažniausiai keikiuosi, vis kartoju „Kodėl man taip???“ ir bandau eksperimentą kartoti iš naujo, nes tai reiškia, jog kažkuriame žingsnyje buvo suklysta. O ką daryti, jei tikrai tikrai tikslūs skaičiavimai nesutampa su labai tiksliais eksperimento rezultatais? Man taip niekad nebūna, bet taip nutiko Brookheaven ir Fermilab laboratorijų mokslininkams.
Prieš keletą dienų pasaulį apskriejo žinia apie galimai naują ir svarbų atradimą fizikoje. Galbūt daug kur matėte antraštes su žodžiu „muons“ ir galvojote kas čia vyksta. Todėl pabandysiu papasakoti kas tai per atradimas ir kas tie miuonai.
Kas yra miuonas?
Iš esmės miuonas (angl. Muon) yra elektrono pusbrolis, turintis tokį pat elektrinį krūvį, tačiau maždaug 200 kartų didesnę masę. Miuonas yra labai nestabilus ir suskyla per maždaug 2 mikro sekundes (0,000002 s), o suskyla jis į tris daleles: elektroną ir du skirtingus neutrinus (bet apie šiuos geriau neišsiplėsiu).
Miuonai buvo atrasti 1963 m. tiriant kosminius spindulius. T.y. kosminei spinduliuotei susiduriant su Žemės atmosferoje esančiomis dalelėmis, susidaro miuonai, kurie vėliau pasiekia Žemės paviršių.
Kaip ir elektronai, miuonai turi svarbią savybę – sukinį, dėl kurio jie elgiasi taip, lyg viduje turėtų magnetuką. T.y. jei miuoną patalpintume į magnetinį lauką, jis imtų suktis.
Kvantinės putos
Iš principo visi sakome, kad vakuume nėra jokių dalelių, tai tik tuštuma. Tačiau iš tiesų kvantinė fizika teigia, jog vakuume nuolatos akimirksniu iš niekur atsiranda ir į niekur dingsta virtualiosios dalelės. Pvz.: kai stebite puode verdantį vandenį, matote kaip jo paviršiuje staiga atsiranda ir dingsta burbuliukai. Panašiai yra ir šiuo atveju – Visata tarsi burbuliuoja, nes joje vis atsiranda ir staiga dingsta virtualiosios dalelės. Todėl šis reiškinys yra vadinamas kvantinėmis putomis.
Miuonai judėdami elektromagnetiniame lauke ne tik sukasi, bet taip pat yra veikiami ir šių staiga atsirandančių dalelių, nes jos netyčia pasitranko į miuonus.
Taigi, miuonų judėjimą veikia ne tik magnetinis laukas, bet ir kitos virtualiosios dalelės. Norint apskaičiuoti miuonų judėjimą, reikia įvertinti g faktorių. Jis yra susijęs su magnetinio lauko stiprumu ir nurodo kaip greitai suksis jame esantis miuonas. Dėl g faktoriaus magnetiniame lauke besisukantis miuonas ims svyruoti. Teoriniai skaičiavimai numatė, kad šis g faktorius turėtų būti lygus g=2,00233183620(86) (11 skaičių po kablelio rodo, kad skaičiavimai buvo labai labai tikslūs).
Eksperimentiniai rezultatai
Muon g-2 vadinamas eksperimentas vyksta taip: miuonų srautas įleidžiamas į didžiulį žiedinį magnetą, kuris juos suka ratu, tuomet mokslininkai labai tiksliai gali išmatuoti jų sukimosi dažnį. Todėl išmatavę kaip greitai sukasi magnetiniame lauke esantys miuonai, mokslininkai gali rezultatus palyginti su teoriniais skaičiavimais.
Prieš 20 metų Brookheaven laboratorija pateikė Moun g-2 eksperimento rezultatus, kurie rodė kitokią nei teorijoje numatytą g faktoriaus vertę. Tuomet Fermilab laboratorija pasiturbino savo įrangą ir pakartojo šį eksperimentą irrrr.... taip pat gavo kitokią nei teorinę g faktoriaus vertę: g=2,00233184122(82). Taigi, nuo aštunto skaičiaus po kablelio vertė pasikeičia. Mums įprastai tai gali atrodyti nereikšminga, nes matuodami užuolaidų ar lovos ilgį, didesniu nei milimetrų tikslumu to nedarome. Tačiau kalbant apie daleles, toks neryškus pokytis iš tiesų yra svarbus.
Ką reiškia toks teorijos ir eksperimento nesutapimas?
Gaaali būti, jog realybėje prie miuonų judėjimo prisideda kitos iki šiol neatrastos dalelės ar jėgos, kurios ir suteikia kitokią nei teoriškai apskaičiuotą vertę. T.y. atliekant teorinius skaičiavimus, į juos nebuvo įtrauktas kitų dalelių ar jėgų poveikis, nes paprasčiausiai apie juos niekas nežinojo. Jei tai tiesa, galbūt mes užgyvensime dar vieną didelį fizikos atradimą ir sužinosime apie iki šiol fizikoje negirdėtas jėgas ar daleles 😊 Jei šis atradimas bus patvirtintas, manau, kad prie to prisidėjusiems tyrėjams drąsiai gresia Nobelis.
Nu ir kas?
Fizikai yra sudarę standartinį modelį, kuris aprašo silpnąją, stipriąją ir elektromagnetinę sąveikas bei materiją sudarančias fundamentaliąsias daleles. Tačiau šis modelis turi ir trūkumų: jis nepaaiškina gravitacinęs sąveikos ir tamsiosios materijos. Todėl naujasis atradimas galbūt padės papildyti standartinį modelį ir fizika taps dar aiškesnė. Arba tiesiog taps aišku, kad niekas neaišku...
Šaltiniai: