Si fizikantët përdorën antimaterinë, superkompjuterët dhe magnetët gjigantë për të zgjidhur një mister 20-vjeçar

Fizikantët gjithmonë kërkojnë për teori të reja për të përmirësuar kuptimin tonë të universit dhe për të zgjidhur pyetje të mëdha pa përgjigje.

Por ka një problem. Si kërkoni forca ose grimca të panjohura kur nuk dini se si duken?

Merrni materien e errët. Ne shohim shenja të këtij fenomeni të mistershëm kozmik në gjithë universin, por çfarë mund të jetë ajo? Çfarëdo që të jetë, do të na duhet fizikë e re për të kuptuar çfarë po ndodh.

Faleminderit një rezultati të ri eksperimental të publikuar sot, dhe llogaritjet e reja teorike që e shoqërojnë atë, tani mund të kemi një ide se si duhet të duket kjo fizikë e re – dhe ndoshta edhe disa pista rreth materies së errët.

Njihuni me muonin

Për 20 vjet, një nga shenjat më premtuese të fizikës së re ka qenë një papërshtatshmëri e vogël në magnetizmin e një grimce të quajtur muon. Muoni është shumë i ngjashëm me një elektron, por shumë më i rëndë.

Muonet prodhohen kur rrezat kosmik – grimca me energji të lartë nga hapësira – godasin atmosferën e Tokës. Rreth 50 prej këtyre muoneve kalojnë përmes trupit tuaj çdo sekondë.

Muonet udhëtojnë përmes objekteve të forta shumë më mirë se rrezatimet X, kështu që ato janë të dobishme për të zbuluar çfarë është brenda strukturave të mëdha. Për shembull, ato janë përdorur për të kërkuar dhoma të fshehura në Egjiptian dhe Meksikan piramida; për studimin e dhomave të magmës brenda vullkaneve për të parashikuar shpërthimet vullkanike; dhe për të parë në mënyrë të sigurt brenda reaktorit bërthamor të Fukushima pasi ai u shkrir.

Një çarje e vogël në fizikë?

Në vitin 2006, studiuesit në Laboratorin Kombëtar Brookhaven në Shtetet e Bashkuara matën fuqinë e magnetizmit të muonit jashtëzakonisht saktë.

Matja e tyre ishte e saktë rreth gjashtë pjesë në dhjetë miliard. Kjo është ekuivalente me matjen e masës së një trenie të ngarkuar të ngarkuar me pesëdhjetë kilogramë. Kjo u krahasua me një llogaritje teorike gjithashtu impresionuese.

Kur studiuesit krahasuan të dy numrat, gjetën një ndryshim të vogël por të rëndësishëm, duke treguar një mospërputhje midis teorisë dhe eksperimentit. A e kishin gjetur fundimisht fizikën e re që kërkonin?

Një eksperiment më i mirë

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

Magneti i madh elektrik nga eksperimenti fillestar u ngarkua në një anije dhe u dërgua përgjatë bregut lindor të SHBA-së dhe më pas lart në lumin Mississippi drejt Çikagos. Aty, ai u instaluat në Fermilab për një eksperiment plotësisht të ripërcaktuar.

Vetëm këtë mëngjes, studiuesit njoftuan se kishin përfunduar atë eksperiment. Rezultati i tyre përfundimtar për fuqinë e magnetizmit të muonit është 4.4 herë më i saktë, në një dhe gjysmë pjesë në dhjetë miliardë.

Dhe llogaritje më të mira

Për të mbajtur ritmin, teoricienët duhej të bënin përmirësime të mëdha gjithashtu. Ata formuan Iniciativën e Teorisë Muon g-2, një bashkëpunim ndërkombëtar i më shumë se 100 shkencëtarëve, i përkushtuar për të bërë një parashikim teorik të saktë.

Ata llogaritën kontributet në magnetizmin e muonit nga më shumë se 10,000 faktorë. Ata madje përfshinë një grimcë të quajtur bosoni Higgs, e cila u zbulua vetëm në vitin 2012.

Por kishte një pikë të fundit pengese: forca bërthamore e fortë, një nga katër forcat themelore të universit. Në veçanti, llogaritja e kontributit më të madh në rezultat nga forca bërthamore e fortë nuk ishte një detyrë e lehtë.

Antimateria kundrejt superkompjuterëve

Nuk ishte e mundur të llogaritje këtë kontribut në të njëjtën mënyrë si të tjerët, kështu që na duhej një qasje e ndryshme.

Në vitin 2020, Iniciativa e Teorisë u kthye te përplasjet midis elektroneve dhe homologëve të tyre të antimateries: pozitronëve. Matjet e këtyre përplasjeve elektrone–positronë ofruan vlerat e munguara që na duheshin.

I bashkuar me të gjitha pjesët e tjera, kjo dha një rezultat që u kundërshtua fuqishëm nga matja më e fundit eksperimentale. Kundërshtimi ishte pothuajse i fortë sa të njoftohej zbulimi i fizikës së re.

Në të njëjtën kohë, unë po eksploroja një qasje të ndryshme. Së bashku me kolegët e mi në bashkëpunimin Budapest-Marseille-Wuppertal, ne kryem një simulim superkompjuterik të këtij kontributi të fortë.

Rezultati ynë eliminoi tensionin midis teorisë dhe eksperimenteve. Megjithatë, tani kishim një tension të ri: midis simulimit tonë dhe rezultateve të elektron-pozitronit që kishin rezistuar 20 vjet shqyrtimi. Si mund të ishin të gabuara ato rezultate 20-vjeçare?

Sugjerime të fizikes së re zhduken

Që atëherë, dy grupe të tjera kanë prodhuar simulime të plota që pajtohen me tonat, dhe shumë të tjera kanë vërtetuar pjesë të rezultateve tona. Ne gjithashtu kemi prodhuar një simulim të ri, të përmirësuar që pothuajse dyfishon saktësinë tonë (i lëshuar si një para-print, i cili ende nuk është shqyrtuar nga kolegët ose botuar në një revistë shkencore).

Për të siguruar që këto simulime të reja nuk u ndikuan nga paragjykimet, ato u kryen “me sy të mbyllur”. Të dhënat e simulimit u shumëzuan me një numër të panjohur para se të analizoheshin, kështu që ne nuk dinim se çfarë do të ishte një rezultat “i mirë” ose “i keq”.

Ne pastaj mbajtëm një takim që shkaktoi nervozizëm dhe emocion. Faktori i verbërimit u zbulua, dhe ne zbuluam rezultatet e viteve të punës të gjitha njëherësh. Pas gjithë kësaj, rezultati ynë më i fundit pajtohet edhe më mirë me matjen eksperimentale të magnetizmit të muonit.

Por të tjerë dalin

Iniciativa e Teorisë Muon g-2 është zhvendosur në përdorimin e rezultateve të simulimit në vend të të dhënave të elektron-pozitronit në parashikimin zyrtar, dhe shenja e fizikës së re duket se është zhdukur.

Përveç … pse të dhënat e elektron–pozitronit nuk pajtohen? Fizikanët në mbarë globin kanë studiuar këtë pyetje në mënyrë të gjerë, dhe një sugjerim emocionues është një grimcë hipotezë e quajtur “foton i errët”.

Jo vetëm që fotoni i errët mund të shpjegojë ndryshimin midis rezultateve më të fundit të muonit dhe eksperimenteve të elektron-pozitronit, por (nëse ekziston) mund të shpjegojë gjithashtu se si materia e errët lidhet me materien e zakonshme.