Kalejdoskop
Fizyka teoretyczna to niezwykle pasjonująca dziedzina wiedzy, ale nie dla wszystkich. W życiu codziennym nie interesujemy się specjalnie cząstkami subatomowymi i ich rolą we wszechświecie. Jednak dla naukowców wyjaśnienie podstawowych sił, które są odpowiedzialne za wszystko, co dzieje się w niezliczonych galaktykach, ma ogromne znaczenie. Ostatnio fizycy pracujący w ośrodku Fermilab w Batavii w stanie Illinois ogłosili, że są bliscy przełomowego odkrycia, które może zmienić nasze rozumienie świata...
Zagadka detektywistyczna
Na początek trzeba przypomnieć, że obecnie preferowaną teorią dotyczącą mechanizmów rządzonych wszechświatem jest tzw. model standardowy, który postuluje, że istnieją cztery zasadnicze oddziaływania (siły): słabe, silne, elektromagnetyczne i grawitacyjne. Pierwsze dwa obserwujemy pomiędzy cząstkami elementarnymi, a oddziaływanie elektromagnetyczne między cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny. Za każdą z tych sił stoi odpowiednia cząstka elementarna: foton (elektromagnetyzm), bozon (oddziaływanie słabe), gluon (oddziaływanie silne) i grawiton (grawitacja). Ta ostatnia cząstka jest na razie czysto hipotetyczna, a zatem jest tylko postulowana, ale jeszcze nigdy nie została wykryta.
Fizyka teoretyczna wszystko to opisuje w ramach niezwykle skomplikowanych obliczeń matematycznych, które dla przeciętnego człowieka są zupełnie niedostępne. Model standardowy preferowany jest przez badaczy dlatego, iż spójnie tłumaczy niemal wszystko, co dzieje się w naszym świecie na poziomie subatomowym. Problem w tym, że tworzona posługując się jego równaniami opowieść o strukturze wszechświata jest w pewnym sensie „zagadką detektywistyczną”, w której sporo jest jeszcze do wyjaśnienia.
Przed 10 laty w Krajowym Laboratorium w Brookhaven przeprowadzono eksperyment dotyczący innej cząstki elementarnej znanej jako mion (po angielsku muon). Miony, którymi zajmuje się kilkuset naukowców z siedmiu krajów, przypominają elektrony, ale są od nich 200 razy cięższe. To jedna z podstawowych cegiełek kosmosu. Eksperyment polegał na wysłaniu mionów w obieg po 14-metrowym pierścieniu i włączeniu pola magnetycznego. Zgodnie z prawami fizyki przewidzianymi w modelu standardowym, miony w takiej sytuacji powinny drgać z określoną częstotliwością. Tymczasem robiły to szybciej, co jest zjawiskiem niewytłumaczalnym.
Naukowcy w Fermi National Accelerator Laboratory postanowili powtórzyć ten eksperyment. Zachowano wszystkie podstawowe parametry sprzed dwóch dekad, korzystając nawet z części tych samych urządzeń przewiezionych między odległymi od siebie placówkami naukowymi. Cztery lata trwało montowanie i kalibrowanie sprzętu. Gdy w końcu doszło do testu, jego wyniki potwierdziły to, o czym donieśli naukowcy z Brookhaven. Miony w silnym polu magnetycznym nie zachowały się w spodziewany sposób. Ta „aberracja” nie mieści się w tzw. modelu standardowym, czyli zbiorze równań wyliczających 17 (obecnie) cząsteczek tworzących wszechświat i ich zachowań względem siebie. Jeżeli nie ma pomyłki w obliczeniach z Fermilab, to model standardowy trzeba będzie uzupełnić.
Przełom w fizyce?
Prawdopodobieństwo pomyłki lub błędu statystycznego w przypadku eksperymentu przeprowadzonego w Fermilab wynosi 1 do 40 tysięcy, a zatem niemal pewne jest to, iż wspomniane dziwne zachowanie mionów w polu magnetycznym nie jest przypadkiem. Renee Fatemi, fizyk z uniwersytetu stanowego w Kentucky, powiedział: – Wynik eksperymentu dowodzi, że mion jest czuły na coś, czego nie opisują żadne teorie. Może to wskazywać na istnienie nieznanych praw fizyki, nowych cząsteczek czy też nieznanych jeszcze sił. Innymi słowy, istnieje możliwość, że mamy do czynienia z piątą, nieznaną siłą natury. Jeśli zostanie to potwierdzone, nasze rozumienie budowy wszechświata będzie musiało zostać poddane gruntownej rewizji.
Fizycy sami przyznają, że wielu rzeczy na razie po prostu nie wiedzą. Na przykład tzw. ciemna materia stanowi ok. 27 proc. całej „treści” wszechświata, ale nikt nie wie, z czego ta materia się składa. Gdyby nowy eksperyment Muon g-2 (bo tak się zwie) potwierdził istnienie czegoś spoza modelu standardowego, jakiejś nowej cząsteczki, może to skierować naukowców na nowy trop i pozwolić zamknąć którąś z nierozwikłanych zagadek kosmosu, np. wyjaśnić mechanizm stojący za nieustannym powiększaniem się rozmiarów wszechświata.
Profesor Ben Allanach z Cambridge University nie kryje swojej ekscytacji wynikami eksperymentu: – Jest to niezwykle ciekawe, ponieważ potencjalnie wskazuje, że w przyszłości fizyka opierać się będzie na nowych prawach, nowych cząsteczkach elementarnych i nowych siłach, o których istnieniu wcześniej nie wiedzieliśmy. Całą moją karierę zawodową poświęciłem badaniu cząstek subatomowych i sił ich oddziaływania. Czuję, że nadchodzi wielki moment i nie mogę z tego powodu spać po nocach. Inni fizycy wypowiadają się w bardzo podobnym tonie.
Nikt na razie nie wie, jak nazwać nową, piątą siłę oddziaływania, jeśli jej istnienie zostanie potwierdzone. Allanach zaproponował jak dotąd flavour force, third family hyperforce oraz B minus L2. Ta ostatnia nazwa jest najbardziej naukowa, ale jednocześnie najmniej romantyczna, dlatego zapewne nigdy nie zostanie zatwierdzona. Jeśli natomiast okaże się, że zostanie wkrótce odkryta nowa cząstka elementarna, ma się ona zwać leptoquark lub Z-prime boson. Istnienie nieznanej na razie cząstki sugerują wyniki eksperymentów przeprowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów, czyli w ogromnym akceleratorze mieszczącym się na granicy Francji ze Szwajcarią.
Mimo wielkiego podniecenia, jakie towarzyszy dyskusjom o wynikach eksperymentu w Fermilab, wielu naukowców przestrzega przed nadmiernym optymizmem. Wskazują oni na fakt, iż trzeba będzie jeszcze wielu dodatkowych pomiarów i eksperymentów, by ostatecznie potwierdzić, że naszym wszechświatem „rządzą” nie cztery oddziaływania fundamentalne, lecz pięć.
Andrzej Heyduk
