Mion wymyka się prawom fizyki. Przełom w nauce? To może być piąta siła natury

Bartłomiej Pawlak
Pojawiły się dowody na to, że miony, niewielkie cząstki elementarne, nie zachowują się tak, jak zakładają znane nam prawa fizyki. Badacze stojący za eksperymentem mówią już o przełomie w nauce. Czy może to oznaczać istnienie piątej podstawowej siły natury, o której naukowcy rozmyślają od dawna?
Zobacz wideo NASA pokazała, jak zachowuje się płomień na pokładzie ISS. Efekt może niektórych zaskoczyć

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy istnieją cztery oddziaływania podstawowe (zwane też fundamentalnymi) we Wszechświecie. Jest to oddziaływanie słabe, silne, elektromagnetyczne i grawitacyjne. Pierwsze dwa obserwujemy pomiędzy cząstkami elementarnymi, a oddziaływanie elektromagnetyczne odpowiada za siły działające między cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny. Te trzy oddziaływania opisuje model standardowy (najlepsza opisująca to teoria). Czym jest grawitacja, nie trzeba chyba wyjaśniać, bo jej istnienia doświadcza każdy z nas.

Mion, czyli "nieposłuszna" cząstka elementarna

Miony to nietrwałe cząstki elementarne należące do leptonów (w mechanice kwantowej grupa 12 cząstek elementarnych), które są podobne do elektronów, ale ponad 200 razy bardziej masywne. Miony możemy uzyskać w laboratoriach, ale cząstki te docierają do nas również naturalnie pod postacią tzw. wtórnego promieniowania kosmicznego. Powstają w zderzeniach wysokoenergetycznych cząstek pierwotnego promieniowania kosmicznego z jądrami atomów w naszej atmosferze.

Cztery podstawowe oddziaływania opisują, jak oddziałuje ze sobą wszystko, co istnieje we Wszechświecie. W teorii również miony. Problem w tym, że mion wydaje się wymykać znanym nam opisom fizycznym. Chociażby nie mieści się w tym, co opisuje model standardowy. Tak przynajmniej twierdzi międzynarodowy zespół naukowców złożony z ponad 200 badaczy, którzy opublikowali w "Physical Review Letters" wyniki swoich badań przeprowadzonych w USA.

Zdaniem fizyków są one pośrednim dowodem na to, że mamy do czynienia z nieznaną dotąd cząstką subatomową lub istnieje piąta siła fundamentalna, o której istnieniu nie mieliśmy do tej pory pojęcia. Tłumaczą, że odkrycie może doprowadzić do przełomu w fizyce. "To dla nas jak moment lądowania łazika na Marsie" - tłumaczy Chris Polly, fizyk z Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) w stanie Illinois cytowany przez "The New York Times"

Co konkretnie udało się odkryć?

Badacze swojego odkrycia dokonali, korzystając ze znajdującego się w Fermilab w Illinois "pierścienia mionowego" Muon g-2 (na zdjęciu tytułowym artykułu), czyli akceleratora, który bada zachowanie mionów podczas ich przemieszczania się w polu magnetycznym.

Miony są cząstkami mającymi ujemny ładunek i określony spin (moment pędu cząstki), które - w uproszczeniu - zachowują się jak małe magnesy. Gdy poddamy je działaniu pola magnetycznego, zaczynają się obracać i możemy wyliczyć ich moment magnetyczny określony współczynnikiem g. Model standardowy przewiduje, że dla samotnego mionu powinien mieć wartość 2. Stąd zresztą nazwa eksperymentu Muon g-2 (muon to po angielsku mion).

Mion oddziałuje oczywiście w akceleratorze z innymi cząstkami, co prowadzi do zmiany wartości współczynnika g. Biorąc to pod uwagę, fizycy są w stanie  z ogromną precyzją wyliczyć odchylenie od standardowego współczynnika g samotnego mionu. Uwzględniając w obliczeniach oczywiście znane nam cząstki.

Problem w tym, że teoretycznie obliczone wartości nie zgadzają się z tymi uzyskanymi w praktyce. Dlatego jak tłumaczą badacze, mion zdaje się łamać prawa fizyki. Co niezwykle istotne, wyniki tego eksperymentu są zbliżone do wyników podobnych badań na mionach przeprowadzonych w 2001 roku w Brookhaven National Laboratory w USA.

Od tamtej pory miony intrygowały naukowców, ale nowy eksperyment zdaje się potwierdzać, że z mionem dzieje się coś nam nieznanego. I raczej nie jest to przypadek, bo badacze określili prawdopodobieństwo uzyskania fałszywego wyniku na 1 do 40 tys.

Dziś jest niezwykły dzień, długo oczekiwany nie tylko przez nas, ale także przez całą międzynarodową społeczność fizyków. Ogromne uznanie należy się naszym młodym badaczom, którzy swoim talentem, pomysłami i entuzjazmem pozwolili nam osiągnąć ten niesamowity wynik

- powiedział Graziano Venanzoni, rzecznik eksperymentu z Muon g-2 cytowany przez Fermilab.

Jak zaznaczają fizycy, wyniki eksperymentu możemy tłumaczyć m.in. istnieniem nieznanej do tej pory cząstki subatomowej, z którą oddziałuje mion lub piątego oddziaływania fundamentalnego, o którym nie wiemy. Badacze nie mówią jednak z całą pewnością o odkryciu dziury w modelu standardowym i czekają na jeszcze bardziej precyzyjne wyniki eksperymentów.