Si fizikantë përdorën antimaterinë, superkompjuterë dhe magnetë gjigantë për të zgjidhur një mister 20-vjeçar

Fizikantët gjithmonë kërkojnë teori të reja për të përmirësuar kuptimin tonë për Universin dhe për të zgjidhur pyetje të mëdha që ende nuk janë përgjigjur.

Por ka një problem: si të kërkojmë forca ose grimca të panjohura kur nuk dimë si janë ato?

Shikoni rastin e materies së errët. Ne shohim shenja të këtij fenomeni misterioz kozmik në të gjithë Universin, por me çfarë mund të bëhet ajo? Çfarëdo qoftë, do të kemi nevojë për fizikë të re për të kuptuar se çfarë po ndodh.

Faleminderit një rezultati të ri eksperimental të publikuar kohët e fundit dhe llogaritjeve të reja teorike që e shoqërojnë, tani mund të kemi një ide se si duhet të duket kjo fizikë e re - dhe ndoshta edhe disa pista për atë çfarë është materia e errët.

Njihuni me múonin

Gjatë 20 vjetësh, një nga shenjat më premtuese të kësaj “fizike të re” ishte një papajtueshmëri e vogël në magnetizmin e një grimce të quajtur múon. Múoni është shumë i ngjashëm me një elektron, por është shumë më i rëndë.

Múonët prodhohen kur rrezet kozmike - grimca me energji të lartë që vijnë nga hapësira - godasin atmosferën e Tokës. Rreth 50 prej këtyre múonëve kalojnë përmes trupit tuaj çdo sekondë.

Os múonët kalojnë përmes objekteve të forta shumë më mirë se sa rrezatimi X, prandaj janë të dobishëm për të zbuluar çfarë ka brenda strukturave të mëdha. Për shembull, ata janë përdorur për të kërkuar dhoma të fshehta në piramidat egjipte dhe meksikane; për studimin e dhomave të magmës brenda vullkaneve për të parashikuar shpërthimet; dhe për shikimin e sigurt të brendësisë së reaktorit bërthamor të Fukushima pasi ai u shkrir.

Një vrimë e vogël në fizikë?

Në vitin 2006, studiuesit nga Laboratori Kombëtar i Brookhaven-it, në Shtetet e Bashkuara, matën fuqinë e magnetizmit të múonit me saktësi të jashtëzakonshme.

Matja ishte e saktë në rreth gjashtë pjesë në dhjetë miliardë. Kjo është ekuivalente me matjen e masës së një trenit të ngarkuar plot me një gabim prej dhjetë gramësh. Ky rezultat u krahasua me një llogaritje teorike po aq mbresëlënëse.

Kur studiuesit krahasuan të dy numrat, gjetën një ndryshim të vogël, por të rëndësishëm, duke treguar një papajtueshmëri midis teorisë dhe eksperimenti. A do të kenë ata në fund gjetur fizikën e re që kërkonin?

Një eksperiment më i mirë

Për të gjetur një përgjigje përfundimtare, komuniteti shkencor ndërkombëtar filloi një projekt 20-vjeçar për të rritur saktësinë e të dy rezultateve.

Magneti i madh i eksperimentit origjinal u ngarkua në një anije të madhe, u transportua përgjatë bregdetit lindor të SHBA-së dhe më pas përgjatë lumit Mississippi deri në Çikago. Aty, ai u instaluar në Fermilab për një eksperiment plotësisht të ripërpunuar.

Kohët e fundit, studiuesit njoftuan se përfunduan ekspermin. Rezultati i tyre përfundimtar për fuqinë e magnetizmit të muonit është 4,4 herë më i saktë se matja fillestare, me një marginë prej 1,5 në dhjetë miliarda.

Dhe llogaritje më të mira

Për të ndjekur këtë eksperiment, fizikanët teorikë gjithashtu duhet të bënin përmirësime të mëdha në llogaritjet e tyre. Ata formuan Iniciativën e Teorisë Muon g-2 (Iniciativa Teorike Muon g-2), një bashkëpunim ndërkombëtar me më shumë se 100 shkencëtarë që është i përkushtuar për të bërë një parashikim teorik të saktë.

Ata llogaritën kontributet e më shumë se 10,000 faktorëve për magnetizmin e muonit. Ata madje përfshinë një grimcë të quajtur Bosoni i Higgs, e cila u zbulua vetëm në vitin 2012.

Por kishte një pikë të fundit mosmarrëveshjeje: forca e fortë bërthamore, një nga katër forcat themelore të Universit. Në veçanti, llogaritja e kontributit më të madh të forcës së fortë bërthamore për rezultatin nuk ishte detyrë e lehtë.

Antimateria kundrejt superkompjuterëve

Nuk ishte e mundur të llogaritej ky kontribut në të njëjtën mënyrë si të tjerët, prandaj na duhej një qasje e ndryshme.

Në vitin 2020, Iniciativa Teorike u kthye te përplasjet midis elektroneve dhe përfaqësuesve të tyre të antimaterisë: pozitronëve. Matjet e këtyre përplasjeve elektrone-pozitronë dhanë vlerat që mungonin.

Në bashkëpunim me të gjitha pjesët e tjera, kjo dha një rezultat që kundërshtonte fort matjen e fundit eksperimentale. Kundërshtimi ishte pothuajse i fortë sa për të njoftuar zbulimin e një fizike të re.

Në të njëjtën kohë, unë po eksploroja një qasje të ndryshme. Bashkë me kolegët e mi nga bashkëpunimi Budapest-Marseille-Wuppertal, kryem një simulim në superkompjuter të kësaj kontributi.

Rezultati ynë eliminoi tensionin midis teorisë dhe eksperimenteve. Megjithatë, tani kishim një tension të ri: midis simulimit tonë dhe rezultateve të kolizionit elektron-pozitron që kishin rezistuar 20 vjet analizash. Si mund të ishin gabim këto rezultate 20-vjeçare?

Shenjat e një fizike të re zhduken

Që atëherë, dy grupe të tjera prodhuan simulime të plota që pajtohen me tonat, dhe shumë të tjerë kanë vërtetuar pjesë të rezultateve tona. Gjithashtu, kemi prodhuar një simulim të ri të rishikuar që pothuajse dyfishon saktësinë tonë (i lançuar si një preprint, studim që ende nuk është rishikuar nga kolegët ose publikuar në një revistë shkencore).

Për të siguruar që këto simulime të reja nuk do të ndikoheshin nga paragjykime të mëparshme, ato u kryen “në sy”. Të dhënat e simulimit u shumëfishuan me një numër të panjohur përpara se të analizoheshin, prandaj nuk e dinim se çfarë do të ishte një rezultat “i mirë” ose “i keq”.

Më pas, organizuam një takim emocionues dhe stresues. Faktori i verbërimit u zbulua, dhe zbuluam rezultatet e viteve të punës së njëpasnjëshme në një herë. Pas gjithë kësaj, rezultati ynë i fundit është edhe më i përshtatshëm me matjen eksperimentale të magnetizmit të muonit.

Por shfaqen të tjerë

Muon g-2 Theory Initiative filloi të përdorë rezultatet e simulimit në vend të të dhënave të kolizioneve elektron-pozitron në parashikimin zyrtar, dhe shenja e një fizike të re duket se është zhdukur.

Përveç… pse të dhënat e elektron-pozitronit ishin të kundërta? Fizikantë nga e gjithë bota studiuan këtë çështje në mënyrë të gjerë dhe një sugjerim për shpjegim interesant është një grimcë hipotetike e quajtur “foton i errët”.

Foton i errët nuk mund të shpjegonte vetëm ndryshimin midis rezultateve më të fundit të muonit dhe eksperimenteve me elektron-pozitron, por (nëse ekziston) gjithashtu mund të shpjegonte se si materia e errët lidhet me materien e zakonshme.