لماذا يشك بعض علماء الفيزياء في تجربة الميون التي تلمح إلى “فيزياء جديدة”

كان من الممكن أن يكون أحد أصغر الأشياء في الكون قد غير كل شيء نعرفه عنه.

كشف مختبر Fermi National Accelerator Laboratory التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (Fermilab) في إلينوي يوم الأربعاء عن النتائج التي طال انتظارها من تجربة فيزياء الجسيمات المخزنة المعروفة باسم Muon g-2. النتائج الغريبة ، التي أظهرت شيئًا مختلفًا تمامًا عما توقعته النظريات القياسية ، صدمت علماء الفيزياء حول العالم – وإذا تأكدت ، فإنها تشير إلى أن نظريات الفيزياء الأساسية قد تكون خاطئة.

“هذه لحظة هبوط المركبة على المريخ ،” عالم الفيزياء في فيرميلاب كريس بولي أخبر نيويورك تايمز للنتائج.

البيانات المنشورة في المجلة خطابات المراجعة المادية ، أظهر أن الجسيمات الأساسية المسماة الميونات تتصرف بطريقة لم يتنبأ بها النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. النموذج القياسي هو نظرية المعيار الذهبي التي تشرح القوى الأربع المعروفة في الكون وجميع الجسيمات الأساسية. حتى أن النموذج القياسي تنبأ بوجود Higgs Boson قبل عقود من اكتشافه تجريبيًا في عام 2012.

قال رينيه فاتيمي ، الفيزيائي بجامعة كنتاكي ومدير المحاكاة لتجربة Muon g-2: “هذا دليل قوي على أن الميون حساس لشيء ليس في أفضل نظرياتنا”. في بيان صحفي.

الجسيمات المذكورة أعلاه ، والمعروفة باسم الميونات ، تتصرف بشكل غريب عند تعرضها لمجال مغناطيسي قوي في فيرميلاب. قد تكون هذه النتيجة الفردية نتيجة جسيم أساسي جديد لم يتم اكتشافه بعد – والذي من المحتمل أن يلقي مفتاحًا في كل ما يعرفه البشر عن الفيزياء.

لكن ليس كل الفيزيائيين يشترون النتائج. والسبب يتعلق جزئيًا برقم يسمى سيجما.

تسعى سيجما

في الفيزياء ، كما هو الحال في معظم العلوم التي تنطوي على تجارب ، تتميز النتائج التجريبية للمرء برقم ، سيجما، هذا ينقل مدى احتمالية أن تكون النتيجة المذكورة فرصة عشوائية.

لنفترض أنك صاغت نظرية تقول إن العملات المعدنية ستظهر دائمًا بشكل واضح ، ثم أجريت تجربة قمت فيها بقلب عملة معدنية 100 مرة ورأيت أن عملتك المعدنية تظهر في كل مرة. من الممكن في الواقع أن يحدث هذا – في الواقع ، سيحدث مرة واحدة في ألف مرة – لكن نتائجك ، على الرغم من صدمتها في البداية ، لن تتسبب في إعادة التفكير في نظرية تقليب العملة. ذلك لأن 100 تقلب ليست كافية للمحاكمات لتبرير رقم سيجما الذي من شأنه أن يدل على حالة “صحيح دون ذرة من الشك”. سيتطلب ذلك ما يسمى بنتيجة 5 سيجما ، والتي تتوافق مع احتمال واحد من كل 30 مليونًا أن تجربتك كانت حظًا.

كانت تجربة Fermilab مع الميونات متابعة لتجربة في مختبر Brookhaven الوطني في عام 2001 ، والتي كانت لها أهمية حوالي 3.7 سيغما. بالاقتران مع نتائج Fermilab ، زادت قيمة سيجما إلى 4.2 سيجما ؛ 5 هو المعيار الذهبي للعلماء للمطالبة باكتشاف جديد.

بعبارة أخرى ، لم تصل تجربة Muon g-2 إلى شريط الخمس سيجما الذهبي القياسي.

مرة واحدة في الميون الأزرق

على الرغم من كونها واحدة من اثني عشر جسيمًا أساسيًا في الكون ، نادرًا ما تُرى الميونات ؛ لديهم خصائص مشابهة للإلكترونات اليومية ، من حيث أنها تحمل شحنة ، ومع ذلك فإن كتلتها أكبر بكثير من نظيراتها الإلكترونية. كما أن عمر الميونات قصير للغاية: فبعد أن يتم إنشاؤها في تصادمات عالية الطاقة ، مثل عندما تضرب الأشعة الكونية الغلاف الجوي للأرض ، فإنها تتحلل في متوسط ​​1.56 ميكروثانية لاحقًا. إنه أحد الألغاز العظيمة للفيزياء أن بعض الجسيمات الأساسية للكون ستكون غير مجهزة للبقاء على قيد الحياة في هذا الكون.

على غرار ابن عمها الإلكترون ، تمتلك الميونات مغناطيسية داخلية ؛ مثل أي مغناطيس ، يمكن التلاعب بها وإعادة توجيهها في وجود المجالات المغناطيسية. يمكن لمسرعات الجسيمات في Fermilab إنتاج الميونات بكميات كبيرة ، وهو ما فعله الباحثون في Fermilab لتجربة Muon g-2 – حيث تتبعوا كيفية تفاعل الميونات في مسرع الجسيمات في وجود مجال مغناطيسي قوي.

في مثل هذا المجال المغناطيسي ، يتذبذب الميون بطريقة يحددها رقم جوهري يُعرف باسم العامل g. يتغير هذا الرقم اعتمادًا على بيئة الميون والتفاعلات مع الجسيمات الأخرى. تم تصميم Muon g-2 لقياس عامل g للميون بدقة عالية جدًا.

ما حدث في تجربة Muon g-2 هو ، بكل بساطة ، أن النتيجة المتوقعة مختلفة عما تمليه النظرية. يبدو التناقض ، على الورق ، ضئيلًا. وفقًا للنموذج القياسي ، فإن عامل g المقبول للميون هو 2.00233183620. لكن التجربة الجديدة أسفرت عن نتائج عند 2.00233184122 – بفارق 0.00000000502.

قد يبدو ذلك صغيرا. لكن بالنسبة للنظرية التي تنبأت بدقة بخصائص الجسيمات بأرقام أكثر من ذلك ، فإن هذا التناقض ضخم.

قال فاطمي: “تعكس هذه الكمية التي نقيسها تفاعلات الميون مع كل شيء آخر في الكون”. “ولكن عندما يحسب المنظرون نفس الكمية ، باستخدام كل القوى والجسيمات المعروفة في النموذج القياسي ، فإننا لا نحصل على نفس الإجابة.”

سحابة من الميون ، حبة ملح

ومع ذلك ، على الرغم من إثارة فريق فيرميلاب ، فإن بعض علماء الفيزياء حذرون بشأن النتائج.

“هناك القليل من الشكوك التي تم الإدلاء بها” ، هذا ما قاله بروس شوم ، أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا-سانتا كروز ، ومؤلف كتاب شعبي على النموذج القياسي ، قال لصالون. أكد شوم على نجاح النموذج القياسي حتى الآن. وأشار إلى أنه “عندما تقوم بإجراء قياس وتقارن التوقعات بناءً على كل ما نعرفه – النموذج القياسي – هناك القليل من القلق من أنه ربما لم يتم إجراء هذا الحساب بشكل صحيح تمامًا”.

كان آفي لوب ، الرئيس السابق لقسم علم الفلك في جامعة هارفارد ، أكثر تفاؤلاً بشأن النتائج – ولكن ، كما أشار ، بحذر.

وقال لوب لـ Salon عبر البريد الإلكتروني: “القياس مثير للاهتمام ، لكن أهميته الإحصائية البالغة 4.2 انحراف معياري لم تصل إلى المعيار الذهبي في بيانات فيزياء الجسيمات البالغ 5”. “أيضًا ، من غير الواضح ما إذا كان الانحراف يمثل فيزياء جديدة أو سوء تقدير نظريًا ؛ حوالي نصف دزينة من المجموعات النظرية تحسب القيمة المتوقعة والشكوك النظرية تحجب أهمية التناقض.”

وأضاف لوب: “على مر السنين ، ظهرت العديد من الحالات الشاذة لتختفي فقط ، تاركة النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات دون تغيير.”

هذا صحيح بالفعل ، ويتحدث عن فعالية النموذج القياسي. ظهر شذوذ سابق في عام 2018 ، وهو تجربة – قام بتجارب التي تضمنت ربط الميونات بالبروتونات ، ثم قياس نصف قطر البروتون أدى إلى نتيجة غريبة عن البروتون. كان عرض البروتون المرصود ، عندما كان مرتبطًا بالميون ، أقصر بحوالي 4 بالمائة مما كان متوقعًا. تكهن بعض الفيزيائيين بأن النتيجة يمكن تفسيرها من خلال “فيزياء جديدة” – أبعاد غير مكانية ، أو جسيمات أساسية جديدة ، أو شيء مشابه. دراسات المستقبل وجدت قيمًا أقرب إلى المتوقع لعرض البروتون ؛ لكن هؤلاء لم يكن لديهم قيم سيجما لتكون نهائية. اعتبارًا من عام 2020 ، ما زالت هيئة المحلفين خارجة ، لكن يبدو أن الفيزياء الجديدة أقل احتمالًا.

فيما يتعلق بنتائج Muon g-2 ، قال شوم إن علماء الفيزياء يعرفون أنه يبدو أن هناك “تأثيرًا جديدًا” مع الميونات في الوقت الحالي. لكن هذا لا يعني أنه تم اكتشاف جسيمات جديدة – حتى الآن.

وقال شوم: “إذا كان هناك تأثير جديد ، فكل ما نعرفه هو أنه من المحتمل أن يكون هناك جسيم جديد يمكن اكتشافه مرتبط بهذا التأثير”.

هل لا يزال من الممكن أن يكون النموذج القياسي خاطئًا؟

وقال شوم “هذا بالتأكيد تضخيم مبالغ فيه للقول إن النموذج القياسي يتعرض للتهديد”. “لقد عُرف النموذج القياسي دائمًا ، منذ يوم اختراعه ، بأنه ما يسمى” النظرية الفعالة “. شبه شوم النموذج القياسي بـ “قمة جبل جليدي” ، حيث يتم ملاحظة الطرف وفهمه جيدًا حتى لو لم نكن نعرف تمامًا ما يكمن تحت الماء. “سأراهن بأي مبلغ من المال [the Standard Model] لن يسقط ابدا كتمثيل لتلك القمة من الجبل الجليدي “.

شبه شوم هذا السيناريو بالعلاقة بين قوانين نيوتن و نظرية النسبية لأينشتاين – مشيرا إلى أن ألبرت أينشتاين لم يتجاهل قوانين نيوتن ، بل بنى عليها. بعبارة أخرى ، إذا كان هناك جسيم جديد ، فمن غير المرجح أن يُقذف النموذج القياسي جانبًا ، بل يُبنى عليه.

بصرف النظر عن الحذر ، إذا تم تأكيد التناقض من خلال التجارب المستقبلية ، فلن يؤدي ذلك إلى تغيير الفيزياء فحسب ، بل يمكنه أيضًا تعزيز فهمنا للكون – وربما حتى تفسير ظواهر لا يمكن تفسيرها مثل المادة المظلمة، والتي قد تكون مرتبطة بـ الجسيمات غير المكتشفة.

قال لوب: “إذا تم إثبات التناقض من خلال التحسينات المستقبلية في البيانات التجريبية والحسابات النظرية ، فإن الجسيمات الجديدة الضمنية قد تكون مرتبطة بالمادة المظلمة في الكون”. “في هذا الوقت لا نعرف طبيعة معظم المادة في الكون. معرفة ذلك سيساعدنا على فهم كيفية تجميع المجرات مثل مجرة ​​درب التبانة عبر التاريخ الكوني.”

هل تريد المزيد من القصص الصحية والعلمية في بريدك الوارد؟ اشترك في النشرة الإخبارية الأسبوعية للصالون العالم المبتذل.