Ֆիզիկոսները լուծել են մյուոնի հանելուկը և բախվել նոր խնդրի

Նոր հաշվարկները, կարծես, վերջ են դրել տարրական մասնիկների ֆիզիկայի 25-ամյա գաղտնիքին: Սակայն միևնույն ժամանակ դրանք ի հայտ են բերել հակասություններ այլ փորձերի արդյունքներում:

25 տարի շարունակ ֆիզիկոսները փորձում էին բացատրել չնչին տարբերությունը այն բանի միջև, թե ըստ հաշվարկների ինչպես պետք է իրեն պահեր մյուոնը մագնիսական դաշտում, և ինչ էին ցույց տալիս փորձերը: Տարբերությունը կազմում էր մոտ մեկ միլիոներորդական մաս և կարող էր մատնանշել անհայտ մասնիկների գոյությունը:

2021 թվականին իրավիճակը կտրուկ փոխվեց: Նոր տեսական հաշվարկները ցույց տվեցին, որ մյուոնի վարքագիծը համապատասխանում է փորձնական տվյալներին շատ ավելի մեծ ճշգրտությամբ: Սակայն սրա հետ մեկտեղ ի հայտ եկավ նոր հարց. ինչու՞ այս հաշվարկները չեն համընկնում ավելի վաղ արված կանխատեսումների հետ, որոնք նույնպես հիմնված էին փորձնական տվյալների վրա:

Մյուոնի «տատանման» հանելուկը

Մյուոնը էլեկտրոնի ավելի ծանր «ազգականն» է: Մագնիսական դաշտում այն իրեն պահում է փոքրիկ մագնիսի նման. նրա սպինը ստիպում է մասնիկին կատարել բնորոշ պտտական շարժում:

Այս շարժման մեծությունը որոշվում է այսպես կոչված g-ֆակտորով: Եթե մյուոնը գոյություն ունենար լիակատար մենության մեջ, նրա արժեքը կհավասարվեր ճշգրիտ 2-ի: Սակայն քվանտային տեսությունը ենթադրում է, որ մյուոնի վրա մշտապես ազդում են այլ մասնիկներ: Դրանք շատ կարճ ժամանակով ի հայտ են գալիս ու անհետանում՝ չնչին չափով փոխելով նրա շարժումը:

Ուստի մյուոնի g–2-ի ճշգրիտ չափումը փաստացի թույլ է տալիս հայացք գցել քվանտային աշխարհին: Ինչպես բացատրում է Լոնդոնի համալսարանական քոլեջի ֆիզիկոս Ալեքս Քեշավարզին, g–2-ի չափումը կարելի է դիտարկել որպես յուրօրինակ միջոց՝ պարզելու, թե քանի մասնիկ գոյություն ունի Տիեզերքում:

2001 թվականին Բրուքհեյվենի ազգային լաբորատորիայում անցկացված փորձը ցույց տվեց, որ մյուոնը շեղվում է սպասվող արժեքից ավելի շատ, քան կանխատեսում էր տեսությունը: Սա հսկայական հետաքրքրություն առաջացրեց. տարբերությունը կարող էր լինել անհայտ մասնիկների ապացույց, այդ թվում՝ հնարավոր է մութ նյութի հետ կապված:

Արդյունքը ստուգելու համար մոտ 15 մետր տրամագծով մագնիսական օղակը Բրուքհեյվենից տեղափոխեցին Իլինոյս՝ Ֆերմիի անվան ազգային լաբորատորիա: Այնտեղ փորձը արդիականացրին և անցկացրին նոր, ավելի ճշգրիտ չափումներ:

Մյուոնի վարքագիծը հաշվարկելու երկու եղանակ

Հիմնական դժվարությունը տեսական հաշվարկի մեջ էր: Էլեկտրամագնիսական և թույլ փոխազդեցությունները համեմատաբար լավ են նկարագրվում, սակայն ուժեղ փոխազդեցությունը, որը կապում է քվարկները պրոտոնների և նեյտրոնների ներսում, զգալիորեն ավելի բարդ է:

Մոտեցումներից մեկը ստացավ տվյալների վրա հիմնված մեթոդ անվանումը: Ֆիզիկոսները չեն փորձում ամբողջությամբ հաշվարկել ուժեղ փոխազդեցության ազդեցությունը, այլ օգտագործում են էլեկտրոնների և պոզիտրոնների բախումների արդյունքները, որոնցում ծնվում են քվարկների հետ կապված մասնիկներ:

Հենց այս մեթոդն էր տվել կանխատեսում, որը նկատելիորեն տարբերվում էր 2021 թվականի Fermilab-ի փորձի արդյունքներից: Տարբերությունը բավականին մեծ էր՝ գրեթե հասնելով նոր մասնիկների հայտնագործման մասին հայտարարելու համար անհրաժեշտ մակարդակին:

Սակայն գոյություն ուներ նաև մեկ այլ մոտեցում՝ ցանցային քվանտային քրոմոդինամիկան (lattice QCD): Այս դեպքում քվարկների փոխազդեցությունները մոդելավորվում են հսկայական մաթեմատիկական ցանցի վրա, նման այն բանին, թե ինչպես են օդերևութաբանները մթնոլորտը բաժանում բազմաթիվ բջիջների՝ եղանակը հաշվարկելու համար:

2014 թվականին BMW միջազգային խումբը սկսեց օգտագործել այս մեթոդը մյուոնի g–2-ը հաշվարկելու համար: Ի սկզբանե նման հաշվարկների ճշգրտությունը զգալիորեն ցածր էր, քան փորձնական տվյալների վրա հիմնված մեթոդինը: Սակայն հաջորդ տասնամյակի ընթացքում գիտնականները կատարելագործեցին հաշվարկային մեթոդները, իսկ հաշվողական հզորությունների աճը թույլ տվեց էապես բարձրացնել ճշգրտությունը:

2021 թվականին BMW-ն հրապարակեց արդյունքներ, համաձայն որոնց մյուոնի վարքագիծը լիովին համապատասխանում է Fermilab-ի փորձին: Մյուս անկախ խմբերը հետագայում ստացան նմանատիպ արդյունքներ:

Այսօր շատ ֆիզիկոսներ կարծում են, որ մյուոնի հանելուկը գրեթե լուծված է. նրա լրացուցիչ «տատանումը» կարելի է բացատրել հայտնի մասնիկներով և ֆիզիկայի հայտնի օրենքներով:

Բայց դա չի նշանակում, որ բոլոր հարցերը անհետացել են:

Նոր հակասություն

Այժմ ֆիզիկոսները փորձում են հասկանալ, թե ինչու է փորձնական տվյալների վրա հիմնված մեթոդը տալիս այլ արդյունք:

Հատուկ ուշադրություն է գրավել Նովոսիբիրսկի VEPP-2000 արագացուցիչը, որտեղ էլեկտրոնները բախում են պոզիտրոնների հետ: Այս բախումները թույլ են տալիս ուսումնասիրել պիոնների՝ ուժեղ փոխազդեցության հետ կապված մասնիկների առաջացումը:

2010 թվականին արագացուցիչի վրա տեղադրեցին նոր դետեկտոր: Երբ նրա աշխատանքի արդյունքները հրապարակվեցին 2023 թվականին, հետազոտողները հայտնաբերեցին, որ պիոնների առաջացման արագությունը էապես տարբերվում է ավելի վաղ ստացված ցուցանիշներից:

Լիվերպուլի համալսարանի ֆիզիկոս Ֆեոդոր Իգնատովի խոսքով՝ արդյունքը անակնկալ էր հետազոտողների համար:

Գիտնականները մանրակրկիտ ստուգեցին նոր տվյալները, սակայն առայժմ սխալներ չեն հայտնաբերել: Ավելին, ցանցային քվանտային քրոմոդինամիկայի վրա հիմնված որոշ ժամանակակից հաշվարկներ համապատասխանում են հենց VEPP-2000-ի նոր արդյունքին:

Ընդ որում, Կալիֆորնիայի մեկ այլ արագացուցիչի՝ BABAR-ի ավելի վաղ տվյալների վերլուծությունը, ընդհակառակը, լավ համընկնում է հին արժեքի հետ:

Այսպիսով, ֆիզիկոսների առջև ծառացել է նոր հանելուկ: Փորձերի միջև տարբերությունները կարող են լինել չափման մեթոդաբանության դեռևս չնկատված առանձնահատկությունների հետևանք: Բայց չի կարելի լիովին բացառել նաև ավելի հիմնարար տարբերակը՝ անհայտ մասնիկների կամ փոխազդեցությունների ազդեցությունը:

Արդյունքում, մյուոնի 25-ամյա հանելուկը, որը, թվում էր, թե վերջապես լուծում էր ստացել, ֆիզիկոսներին հանգեցրեց մեկ այլ խնդրի: Այժմ նրանք պետք է պարզեն, թե հատկապես որ փորձերն են ճշգրիտ նկարագրում քվարկների և պիոնների վարքագիծը:

Այս հարցի պատասխանից է կախված նաև այն, թե արդյոք տարրական մասնիկների ֆիզիկայի Ստանդարտ մոդելը լիովին բացատրում է դիտարկվող երևույթները, թե՞ հայտնի ֆիզիկայի սահմաններից դուրս դեռ ինչ-որ նոր բան է թաքնված:

Հիմնված է  Quanta magazine նյութերի վրա