Eksperiment koji mijenja fiziku: Jesmo li na pragu otkrića nove fundamentalne sile?

Fizičari diljem svijeta uzbuđeni su zbog najnovijih rezultata eksperimenta provedenog u Fermilabu, objavljenih ovog tjedna, a oni najoptimističniji nadaju se kako se radi o prvom uvidu u sasvim novo područje teoretske fizike - neobjašnjivoj anomaliji za kakvom se traga već desetljećima.

Pokojni velikan znanstvene fantastike i popularizator znanosti Isaac Asimov jednom je primijetio kako najuzbudljivija fraza u znanosti nije “Eureka!”, već: “Hmmm... ovo je neobično”. Upravo je to fraza kojom su znanstvenici sa CERN-a opisali rezultate mjerenja magnetskog dipolnog momenta muona prije više od pola stoljeća.

Rijetko koja fraza je manje inspirativna od “mjerenje magnetskog dipolnog momenta muona”. Ostavlja dojam da se radi o zapučku fizike, nevažnom eksperimentu koji je tim znanstvenika preuzeo samo da bi mogli staviti još jednu kvačicu na popis predviđanja standardnog modela - teorije fizike koja opisuje ponašanje najsitnijih poznatih čestica i elementarnih sila.

No, rezultati mjerenja na CERN-u nisu se poklapali s vrijednostima koje su predviđale teorije. Slavlja ni panike ipak nije bilo, jer odstupanje se moglo objasniti i mogućom pogreškom pri mjerenju, ili čistom statističkom anomalijom. Pouzdanost rezultata bila je daleko od “5 sigma” - pet standardnih devijacija daleko od prosjeka, standarda u fizici koji znači da su šanse da je rezultat statistička slučajnost manje od 1 u 3,5 milijuna.

Seljenje eksperimenta

Ispitivanje su potom preuzeli američki znanstvenici u Brookhaven National Laboratory. Njihov je eksperiment završio 2001, a anomalija koju su izmjerili dosegla je razinu pouzdanosti od 3,7 sigma - šansa da je rezultat bio slučajan pala je na 1,4%.
Eksperiment je potom doslovno preseljen u Fermilab - cijeli 14-metarski magnetni prsten koji se koristio u mjerenju prenesen je s Long Islanda u laboratorij nedaleko od Chicaga, gdje je sva oprema obnovljena i unaprijeđena, te je eksperiment nastavljen 2015.

Najnoviji rezultati s Fermilaba, objavljeni prošlog tjedna, potvrdili su postojanje anomalije i podigli pouzdanost rezultata na razinu od 4,2 sigma - vjerojatnost da se radi o slučajnosti sada je samo 0,3%. Brojni fizičari diljem svijeta iznimno su uzbuđeni zbog ovog rezultata, jer ozbiljno ukazuje na postojanje teoretske rupe u standardnom modelu.

Standardni model do sada je najpotpunija i najtočnija teorija o subatomskim česticama i fundamentalnim silama koju su fizičari razvili, te bi se moglo doimati neobično da se toliko vesele podacima koji ju prijete srušiti, no bilo kakva anomalija u standardnom modelu sa sobom nosi nadu rješenja puno većeg problema u fizici.

Ono što je za subatomske čestice standardni model, to je za makroskopski svemir - planete, zvijezde i galaksije - Einsteinova Opća teorija relativnosti. I jedna i druga teorija najbolje su dosad u opisivanju fenomena kojima se bave, njihova predviđanja temeljito su potvrđena eksperimentima, i prema našim spoznajama savršeno opisuju svemir u kojem se nalazimo.

'Teorija svega'

Jedini je problem u tome što su te dvije teorije u međusobnoj kontradikciji. Standardni model ne može objasniti gravitaciju, a kvantna fizika standardnog modela “ne sluša” zakonitosti teorije relativnosti. Fizičari stoga već dulje od stoljeća tragaju za “teorijom svega”, koja bi povezala kvantnu fiziku i gravitaciju, no već desetljećima manje-više tapkaju u mjestu.

Teorija struna, koja je jedno vrijeme najviše obećavala, pokazala se kao vrlo izgledna slijepa ulica, s matematičkim konstruktima koji zahtijevaju postojanje 11 dimenzija prostorvremena kako bi teorija ostala konzistentna. Standardni model i teorija relativnosti i dalje postojano stoje kao najbolje teorije čija se predviđanja mogu eksperimentalno provjeriti, i koje niti jedan eksperiment nije uspio dovesti u pitanje. Do sad.

Muon je čestica iz porodice leptona, znatno masivniji “brat” elektrona, s kojim dijeli većinu svojstva, poput električnog naboja i spina. Poput elektrona i drugih nabijenih čestica, i muon se ponaša poput magneta koji se vrti, a snaga njegovog magnetnog polja i frekvencija rotacije opisuju se takozvanim “g faktorom”.

Prema standardnom modelu, g faktor muona morao bi biti nešto malo veći od 2, kada se pobroje sve moguće interakcije s virtualnim česticama koje predviđa standardni model. Eksperiment na Fermilabu upravo se zato zove “Muon g-2”, jer su znanstvenici mjerili koliko je točno g faktor muona veći od 2.

Rezultat koji su dobili za g faktor muona - 2,00233184122 - za točno 0,00116592061 veći je od onog kojeg predviđa standardni model. Možda se ne doima kao mnogo, no kod svih drugih provjera predviđanja standardnog modela do sada, teorija je uvijek precizno pogodila konačni rezultat.

Britanski znanstvenik Mark Lancaster sa Sveučilišta u Manchesteru, jedan od voditelja istraživanja na Fermilabu, smatra kako je rezultat kojeg su dobili iznimno značajan. “Ovo je očito vrlo uzbudljivo,” kazao je za BBC, “jer potencijalno ukazuje na budućnost s novim zakonima fizike, nove čestice i novu silu koju do sada nismo vidjeli.”

Širenje razumijevanja

Ovakvi rezultati, ovakve “rupe” u sveprihvaćenim teorijama u prošlosti su u većini slučajeva vodile do širenja našeg razumijevanja fizike, i otkrivanja dubljih zakona odgovornih za iznimke u rezultatima, koji su se obično skrivali iza činjenice da pojedine pojave nismo mogli mjeriti dovoljno precizno.

Lancaster i mnogi njegovi kolege stoga se nadaju da će i nova anomalija dovesti do novog teoretskog proboja - otkrića nekih dubljih, temeljnijih zakona fizike koji se skrivaju ispod standardnog modela, ili koji će barem proširiti standardni model dosad nepoznatim česticama. Najveća je nada fizičara otkriće nove, pete fundamentalne sile.

Sve se interakcije među česticama i predmetima koje smo do sada opažali mogu opisati kroz četiri fundamentalne sile - elektromagnetizma, gravitacije, te jake i slabe nuklearne sile. No, različite sile na različite čestice djeluju na različite načine - elektromagnetizam, primjerice, slabo djeluje na čestice koje nemaju električni naboj. Jedna je od mogućnosti čudnog ponašanja muona da on jedini od poznatih čestica posjeduje fizikalno svojstvo na koje, poput elektromagnetizma na naboj, djeluje nova sila.

Slično se nada i profesor Ben Allanach sa Sveučilišta Cambridge, koji predosjeća da bi ovo otkriće moglo biti upravo ono što je godinama čekao.

“Cijelu svoju karijeru tragam za silama i česticama izvan onoga što već poznajemo, i ovo je to,” kazao je Allanach za BBC.

“Ovo je trenutak koji sam čekao, i ne spavam baš dobro koliko sam uzbuđen.”

Druga objašnjenja

Ipak, postoje i druga, manje uzbudljiva moguća objašnjenja, koliko god malo vjerojatna bila. I dalje je moguće da je otkriveni signal samo statistički šum - anomalija u mjerenju koja se po zakonima vjerojatnosti kad-tad morala pojaviti u nekom eksperimentu. Postoji mogućnost i da su teoretski izračuni predviđanja standardnog modela pogrešni ili nepotpuni, da su znanstvenici previdjeli neke moguće interakcije virtualnih čestica koje bi mogle objasniti novi signal. Iako objektivno fizičari imaju razloga za veselje, potrebno je ipak još malo pričekati.

Tim sa Fermilaba obradio je podatke s tek 6% mjerenja koje su proveli do sada, dok ostale podatke tek treba obraditi u mjesecima i godinama koje slijede.

Nadaju se kako će s većim brojem obrađenih mjerenja signal postajati samo sve jači. Teoretski fizičari, ponukanim novim nalazima, s obnovljenim su se žarom bacili na stvaranje novih teorija i izmjene postojećih koje bi mogle objasniti neočekivane rezultate eksperimenta. Koji kod bio konačni zaključak znanstvenika sa Fermilaba, njihov će rezultat sigurno ostaviti značajan trag na polju fizike u narednih nekoliko godina.