Experiment nemaipomenit: a fost descoperită a cincea forță a naturii

Oamenii de ştiinţă au găsit mai multe dovezi că unele particule subatomice, numite muoni, nu se comportă aşa cum prezice teoria actuală a fizicii subatomice. Cercetătorii cred că o forţă necunoscută ar putea acţiona asupra muonilor. Vor fi însă necesare mai multe date pentru a confirma aceste rezultate, dar dacă acestea se vor verifica, ar putea marca începutul unei revoluţii în fizică.

Oscilaţia ciudată a unei particule subatomice numite muon în cadrul unui experiment de laborator din SUA îi face pe oamenii de ştiinţă să suspecteze din ce în ce mai mult că le lipseşte ceva în înţelegerea fizicii - poate o particulă sau o forţă necunoscută. Cercetătorii au anunţat joi noi descoperiri despre muon, o particulă magnetică încărcată negativ, similară întrucâtva cu electronul, dar de 200 de ori mai masivă, în cadrul unui experiment desfăşurat în Laboratorul Naţional de Accelerare Fermi al Departamentului de Energie al SUA din Batavia, Illinois.

Experimentul a studiat oscilaţia muonilor în timp ce aceştia trec printr-un câmp magnetic. Muonul, ca şi electronul, are un mic magnet intern care îl face să se clatine - o mişcare numită, din punct de vedere tehnic, "precesie" - precum axa unui titirez în timp ce se află într-un câmp magnetic. Dar viteza de oscilaţie, măsurată în cadrul experimentului, a variat considerabil faţă de ceea ce s-a prezis pe baza Modelului Standard al fizicii particulelor, teoria care explică modul în care interacţionează elementele de bază ale materiei, guvernate de cele patru forţe fundamentale din Univers.

Noile descoperiri, care se bazează pe date publicate în 2021, continuă să sugereze existenţa unui factor misterios în joc, cercetătorii încercând să rezolve discrepanţa dintre predicţia teoretică şi rezultatele experimentale reale.

"Căutăm un indiciu că muonul interacţionează cu ceva despre care nu ştim. Ar putea fi orice: noi particule, noi forţe, noi dimensiuni, noi caracteristici ale spaţiului-timp, orice", a declarat Brendan Casey, cercetător senior la Fermilab şi unul dintre autorii articolului de cercetare publicat în revista Physical Review Letters. "Îmi plac nebuniile, aşa că mi-ar plăcea să fie ceva de genul contrazicerii Lorentz sau o proprietate nouă a spaţiului-timp în sine. Asta ar fi o nebunie şi ar fi revoluţionar", a adăugat Casey. Cercetătorul s-a referit la un principiu numit invarianţă Lorentz, care susţine că legile fizicii sunt aceleaşi peste tot.

"Da, este corect să spunem că ar putea indica particule sau forţe necunoscute", a declarat şi Rebecca Chislett, fizician la University College London şi coautoare a studiului. "În prezent, datorită noilor rezultate din comunitatea teoretică, este dificil de spus exact care este discrepanţa dintre cele două (comportamentul prezis al muonului prezis şi comportamentul observat), dar teoreticienii se străduiesc să rezolve acest lucru", a spus Chislett.

Experimentul a fost realizat la minus 450 de grade Fahrenheit (minus 268 de grade Celsius). Cercetătorii au tras fascicule de muoni într-un inel de stocare magnetică supraconductoare în formă de gogoaşă cu un diametru de 15 metri. În timp ce muonii se deplasau în jurul inelului cu o viteză apropiată de cea a luminii, au interacţionat cu alte particule subatomice care, ca nişte mici parteneri de dans, le-au modificat oscilaţia.

Rezultatele din 2021 au arătat în mod similar o oscilaţie anormală. Noile rezultate s-au bazat pe o cantitate de patru ori mai mare de date, ceea ce a întărit încrederea în constatări. "Cu toate aceste noi cunoştinţe, rezultatul este în continuare în acord cu rezultatele anterioare şi acest lucru este extrem de interesant", a declarat Chislett. Cercetătorii speră să anunţe concluziile finale folosind toate datele colectate în aproximativ doi ani.

"Experimentul măsoară cât de repede se rotesc muonii într-un câmp magnetic. Conceptul este simplu. Dar pentru a ajunge la precizia necesară este nevoie de ani de zile de construcţie a experimentului şi de colectare de date. Noi am luat date din 2018 până în 2023. Noul rezultat se bazează pe datele noastre din 2019 şi 2020", a precizat Casey.

"Trebuie să avem răbdare, deoarece avem nevoie ca predicţia modelului standard să ne ajungă din urmă pentru a putea folosi cât mai puternic datele noastre", a adăugat Casey. "Suntem, de asemenea, foarte nedumeriţi pentru că există diferite moduri de a prezice ceea ce ar trebui să vadă experimentul nostru şi ele nu se potrivesc bine. Aşadar, trebuie să fie ceva fundamental aici care ne scapă, ceea ce este foarte intrigant", mărturiseşte cercetătorul

Cercetătorii americani cred că vor avea datele de care au nevoie şi că incertitudinea teoretică se va reduce în doi ani suficient de mult pentru ca ei să îşi atingă obiectivul de a explica ce se întâmplă cu muonii. Între timp, o echipă rivală de la Large Hadron Collider (LHC) din Europa speră să ajungă prima la un rezultat. Dr. Mitesh Patel de la Imperial College din Londra se numără printre miile de fizicieni de la LHC care încearcă să găsească deficienţe în Modelul Standard al fizicii.

"Măsurarea unui comportament care nu este în acord cu predicţiile Modelului Standard este Sfântul Graal pentru fizica particulelor. Ar fi focul de pornire pentru o revoluţie în înţelegerea noastră, deoarece modelul a rezistat tuturor testelor experimentale timp de peste 50 de ani", a declarat el pentru BBC. La rândul său, cercetătorii de la Fermilab spun că următorul set de rezultate va fi "confruntarea supremă" între teorie şi experiment, care ar putea descoperi noi particule sau forţe.

Aşadar, ce este Modelul Standard şi de ce obţinerea unui rezultat experimental care nu se potriveşte cu previziunile sale este o problemă atât de mare? Toate forţele pe care le experimentăm în fiecare zi pot fi reduse la doar patru categorii: gravitaţia, electromagnetismul, forţa nucleară puternică (cea care ţine atomii împreună) şi forţa nucleară slabă (cea implicată în dislocarea atomilor şi emiterea unor radiaţii). Aceste patru forţe fundamentale guvernează modul în care toate obiectele şi particulele din Univers interacţionează unele cu altele.

Totul în lumea din jurul nostru este format din atomi, care la rândul lor sunt formaţi din particule şi mai mici. Acestea interacţionează pentru a crea cele patru forţe ale naturii: electricitatea şi magnetismul (electromagnetismul), cele două forţe nucleare şi gravitaţia. Comportamentul lor este prezis de modelul standard, care, timp de 50 de ani, a prezis comportamentul lor perfect, fără niciun fel de erori.

Muonii sunt asemănători cu electronii care orbitează în jurul atomilor şi sunt responsabili de curenţii electrici, dar sunt de aproximativ 200 de ori mai masivi. În cadrul experimentului de la Farmilab, aceştia au fost făcuţi să se clatine, folosind magneţi supraconductori puternici. Rezultatele au arătat că muonii s-au clătinat mai repede decât prevedea modelul standard.

Profesorul Graziano Venanzoni, de la Universitatea din Liverpool, unul dintre principalii cercetători din cadrul proiectului, a declarat pentru BBC News că acest lucru ar putea fi cauzat de o forţă nouă necunoscută. "Credem că ar putea exista o altă forţă, ceva de care nu suntem conştienţi acum. Este ceva diferit, pe care noi o numim a cincea forţă. Este ceva diferit, ceva despre care nu ştim încă, dar ar trebui să fie important, pentru că spune ceva nou despre Univers", a explicat profesorul.

Dacă se confirmă, acest lucru ar reprezenta, fără îndoială, una dintre cele mai mari descoperiri ştiinţifice din ultimii o sută de ani, de la teoriile relativităţii ale lui Einstein. Aceasta, deoarece o a cincea forţă şi orice particule asociate cu aceasta nu fac parte din Modelul Standard al fizicii particulelor. Cercetătorii ştiu că există ceea ce ei descriu drept "fizică dincolo de Modelul Standard", deoarece teoria actuală nu poate explica multe lucruri pe care astronomii le observă în spaţiu.

Printre acestea se numără faptul că galaxiile continuă să se depărteze accelerat după Big Bang-ul care a creat Universul, în loc ca expansiunea să încetinească. Oamenii de ştiinţă spun că acceleraţia este determinată de o forţă necunoscută, numită energie întunecată. De asemenea, galaxiile se rotesc mai repede decât ar trebui, conform înţelegerii noastre privind cantitatea de materie din ele. Cercetătorii cred că acest lucru se datorează unor particule invizibile numite materie întunecată, care, din nou, nu fac parte din modelul standard.