Je li standardni model fizike sada slomljen? – Sabine Hossenfelder

Je li standardni model fizike sada slomljen? – Sabine Hossenfelder

Takozvana anomalija muona, prvi put viđena u eksperimentu u Brookhaven National Laboratory 2001. godine, nije pomaknula s mjesta. Tokom 20 godina, ovaj lagani nesklad između izračunate vrijednosti magnetskog momenta muona i eksperimentalno određenog, zadržao se na značaju od oko 3,7 sigme. To je nivo pouzdanosti od 99,98 posto, ili otprilike jedna prema 4.500 šansi da je odstupanje slučajna fluktuacija. Upravo objavljenim rezultatima eksperimenta Muon g-2 iz Nacionalne laboratorije Fermi u Bataviji, Ilinois, značaj je povećan na 4,2 sigma. To je nivo pouzdanosti od oko 99,997 posto, ili otprilike jedna od 40 000 šansi da opaženo odstupanje bude slučajnost. Samo po sebi, novo mjerenje Fermilaba ima značaj samo 3,3 sigme, ali budući da reproducira raniji nalaz iz Brookhavena, kombinirani značaj porastao je na 4,2 sigme. Ipak, to je ispod praga otkrivanja fizičara čestica od pet sigma.

Rezultat je dugo očekivan zbog njegove mogućnosti da konačno razbije Standardni model fizike čestica, zbirku do sada poznatih temeljnih sastojaka materije koji postoji oko 50 godina. Ovaj model trenutno sadrži nekoliko tuceta čestica, ali većina ih je nestabilna i stoga ih nije moguće pronaći samo promatranjem materije koja nas obično okružuje. Nestabilne čestice su, međutim, prirodno proizvedene u visokoenergetskim događajima, na primjer kada kosmički zraci udaraju u gornji sloj atmosfere. Izrađuju se i u sudarima čestica stvorenih u laboratoriju, poput onih koji se koriste u Fermilabovim eksperimentima za mjerenje magnetskog momenta miona.

Muon je bila jedna od prvih nestabilnih čestica koja je poznata, a njegovo otkriće datira iz 1936. godine. Teža je verzija elektrona, a poput potonje čestice i električno je nabijena. Životni vijek miona je oko dvije mikrosekunde. Za fizičare čestica to je dugo, zbog čega se čestica pridaje preciznim mjerenjima. Munski magnetni moment određuje koliko brzo rotacija osi čestice kruži oko linija magnetskog polja. Da bi ga izmjerili na Fermilabu, fizičari stvaraju muone i snažnim magnetima ih drže u krugu promjera oko 15 metara. Mioni se na kraju raspadaju, a iz raspodjele produkata raspada može se zaključiti njihov magnetski moment.

Rezultat se obično navodi kao “g-2”, gdje je “g” magnetski moment. “2” je uključen jer je vrijednost blizu dva – a u odstupanjima od dva kvantni su doprinosi koji su fizičari interesantni. Ti doprinosi dolaze iz fluktuacija vakuuma koji sadrže sve čestice, iako u virtualnom obliku: pojavljuju se samo nakratko prije nego što ponovo nestane. To znači da ako ima više čestica od onih u Standardnom modelu, one bi trebale doprinijeti muonu g-2 – otuda i njegova važnost. Stoga bi odstupanje od predviđanja Standardnog modela moglo značiti da postoji više čestica od onih koje su trenutno poznate – ili da postoji neka druga nova fizika, poput dodatnih dimenzija prostora.

Pa kako da procijenimo nesklad od 4,2 sigme između predviđanja Standardnog modela i novog mjerenja? Prije svega, korisno je sjetiti se razloga zbog kojeg fizičari čestica za početak koriste standard od pet sigma. Razlog nije toliko u tome što je fizika čestica nekako suštinski preciznija od ostalih područja znanosti ili što su fizičari čestica toliko bolji u obavljanju eksperimenata. Prvenstveno je to što fizičari čestica imaju puno podataka. I što više podataka imate, veća je vjerojatnost da ćete pronaći slučajne fluktuacije koje slučajno izgledaju poput signala. Fizičari čestica počeli su uobičajeno koristiti kriterij pet sigma sredinom 1990-ih kako bi se spasili od sramote zbog previše „otkrića“ koja su se kasnije ispostavila kao puka statistička fluktuacija.

Ali naravno, pet sigma je potpuno proizvoljan rez, a fizičari čestica također raspravljaju o anomalijama znatno ispod te granice. Zaista, tijekom godina došlo je i nestalo podosta anomalija od tri i četiri sigme. Na primjer, Higgsov bozon je već bio „otkriven“ 1996. godine, kada se signal od oko četiri sigme pojavio na Velikom elektronsko-pozitronskom sudaraču (LEP) u CERN-u blizu Ženeve – a zatim je ponovo nestao. (Higgsa je 2012. godine definitivno otkrio LEP-ov nasljednik, Veliki hadronski sudarač ili LHC.) Također 1996. pronađene su supstrakture kvarkova na oko tri sigme. I one su nestale.

Godine 2003. znaci supersimetrije – pretpostavljeno proširenje Standardnog modela koje uvodi nove čestice – viđeni su na LEP-u, takođe oko tri sigme. Ali ubrzo su nestali. Na LHC-u 2015. godine vidjeli smo anomaliju difotona koja se zadržala oko četiri sigme prije nego što je nestala. Bilo je i nekih zapanjujućih otkrića od šest sigma koja nisu potvrđena, poput “super-mlaznjaka” iz 1998. godine na Fermilabovom Tevatronu (čak i sada niko zapravo ne zna šta su bili) ili viđenja pentakvarka 2004. godine na akceleratoru HERA u Njemačkoj (pentakvarkovi zapravo nisu otkriveni do 2015).

Ova povijest trebala bi vam pomoći da procijenite koliko ozbiljno trebate shvatiti bilo koju tvrdnju iz fizike čestica sa statističkom značajnošću od 4,2 sigma. Ali naravno, anomalija g-2 ide u prilog činjenici da je njen značaj postao jači, a ne slabiji.

Šta znači postojanost anomalije? Eksperimenti visoke preciznosti na niskoj energiji, poput ovog, dopunjuju eksperimente visoke energije. Oni mogu pružiti slične informacije jer su, u principu, svi doprinosi visokih energija prisutni i kod niskih energija. Samo što su vrlo mali – govorimo o neskladu između eksperimenta i teorije na 11. znamenci nakon decimalne točke.

U praksi to znači da proračuni za predviđanja moraju tačno uzeti u obzir puno sitnih doprinosa da bi se postigla potrebna preciznost. U fizici čestica, ovi proračuni se rade pomoću Feynmanovih dijagrama – malih grafika s čvorovima i vezama koji označavaju čestice i njihove interakcije. Oni su matematički alat za praćenje kojih se integrala mora izračunati.

Ovi proračuni se uključuju u veću preciznost, jer ima više i većih dijagrama. Za muon g-2 fizičari su morali izračunati više od 15.000 dijagrama. Iako računari uvelike pomažu u zadatku, ovi proračuni ostaju prilično izazovni. Posebna glavobolja je hadronski doprinos. Adroni su kompozitne čestice izrađene od nekoliko kvarkova koje gluoni drže zajedno. Izračun ovih hadronskih doprinosa vrijednosti g-2 notorno je težak, a trenutno je najveći izvor pogrešaka na teoretskoj strani. Postoje naravno i različita unakrsna mjerenja koja igraju ulogu, poput predviđanja koja ovise o vrijednostima drugih konstanti, uključujući mase leptona i konstante sprezanja.

Prema tome, nesklad bi mogao prilično svakodnevno značiti da nešto nije u redu s izračunatim Standardnim modelom s hadronskim doprinosima. Ali postoji i mogućnost da se nedostatak krije u samom Standardnom modelu, a ne u našoj kalkulaciji. Možda neslaganje dolazi od novih čestica – supersimetrične čestice su najpopularniji kandidati. Problem s ovim objašnjenjem je da supersimetrija nije model – već je svojstvo velikog broja modela, a različiti modeli iz te veće cjeline daju različita predviđanja. Između ostalog, doprinos g-2 ovisi o masi hipotetičkih supersimetričnih čestica, koje su nepoznate. Tako da je za sada nemoguće posebno pripisati nesklad supersimetriji.

Fermilabovo novo visoko precizno mjerenje magnetskog momenta izuzetno je eksperimentalno postignuće. Ali prerano je da Standardni model proglasimo slomljenim.

Izvor: https://www.scientificamerican.com/article/is-the-standard-model-of-physics-now-broken/

Share

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Translate »