του Θόδωρου Κουτσουμπού
Τα αποτελέσματα ενός πειράματος σε έναν επιταχυντή υψηλών ενεργειών, στο Εθνικό Εργαστήριο Fermilab του Ιλινόις των ΗΠΑ, φέρνει αναστάτωση στον κόσμο των φυσικών. Ήδη από το 2001 είχαν εμφανιστεί ανεξήγητες αποκλίσεις στην πειραματική συμπεριφορά του σωματιδίου που ονομάζεται μιόνιο. Τώρα, ξανά, οι νέες πολύ πιο ακριβείς μετρήσεις με το πείραμα Muon g-2, επιβεβαιώνουν ότι κάτι απρόσμενο συμβαίνει με τα μιόνια, κάτι που πιθανώς «μαρτυρεί» την ύπαρξη άγνωστων σωματιδίων και φυσικών δυνάμεων.
Η αναστάτωση έχει προκύψει από τα πειραματικά δεδομένα του πειράματος Muon g-2 και τις μετρήσεις της κίνησης του μιονίου μέσα σε έναν τεράστιο κυκλικό μαγνήτη σε συνθήκες μείον 232 βαθμών Κελσίου(-450 Φαρενάιτ). Το μιόνιο είναι ένα μικροσωματίδιο με αρνητικό φορτίο, ίσο με το φορτίο του ηλεκτρονίου, αλλά με μάζα 207 φορές μεγαλύτερη. Έχει ιδιοστροφορμή (σπιν) ½ και πάρα πολύ μικρό χρόνο ζωής καθώς διασπάται σε 2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου (2.2×10-6 sec). Η ανακάλυψή του έχει γίνει το 1936. Το μιόνιο (muon) ανήκει στην ομάδα των λεπτονίων μαζί με το ηλεκτρόνιο, τo ταυ λεπτόνιο και τα τρία νετρίνα. Η διάσπασή του μέσω της ασθενούς πυρηνικής αλληλεπίδρασης περιγράφεται στο ακόλουθο διάγραμμα.
Το πείραμα Muon g -2 ξεκίνησε για πρώτη φορά μεταξύ 1997 και 2001 στο Brookhaven National Laboratory στο Long Island της Νέας Υόρκης. Τα αρχικά αποτελέσματα, που ανακοινώθηκαν το 2001 και οριστικοποιήθηκαν το 2006, διαπίστωσαν ότι η μαγνητική ροπή του μιονίου (η μαγνητική ροπή είναι ένα μέτρο του μαγνητικού πεδίου που παράγει) είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από την προβλεπόμενη από τη θεωρία.
Τα νέα πειράματα του Fermilab έρχονται μετά την πρόσφατη ανακοίνωση φυσικών του πειράματος LHCb του CERN στην Ευρώπη ότι επίσης βρήκαν κάτι παράξενο στον τρόπο διάσπασης των μιονίων. Πιθανώς τα δύο ευρήματα σχετίζονται με την ύπαρξη νέων σωματιδίων ή φυσικών δυνάμεων, χωρίς ακόμη αυτό να είναι σίγουρο, καθώς δεν υπάρχουν επαρκή αποδεικτικά δεδομένα.
Η νέα μέτρηση στο Fermilab που ανακοινώθηκε την Τετάρτη 7 Απριλίου έχει μια πιθανότητα στις 1.000 να περιέχει στατιστικό σφάλμα και μία στις 40.000, αν συνδυαστεί με την προηγούμενη μέτρηση στο Brookhaven.
Για να υπάρχει εγκυρότητα, η πιθανότητα σφάλματος πρέπει να μειωθεί στη 1 στα 3,5 εκατομμύρια (στατιστικό επίπεδο εμπιστοσύνης 5 σίγμα, έναντι 4,2 που υπάρχει έως τώρα). Ήδη οι φυσικοί αναλύουν και συλλέγουν περισσότερα δεδομένα, ώστε να βελτιώσουν την ακρίβεια των μετρήσεων για τη μυστηριώδη συμπεριφορά του μιονίου. Η ανάλυση δεδομένων για τη δεύτερη και την τρίτη εκτέλεση του πειράματος βρίσκεται σε εξέλιξη, ενώ η τέταρτη εκτέλεση του πειράματος είναι σε εξέλιξη και έχει προγραμματιστεί μια πέμπτη. Ο συνδυασμός των αποτελεσμάτων και από τα πέντε στάδια του πειράματος θα δώσει στους επιστήμονες μια ακόμη πιο ακριβή μέτρηση της απόκλισης του μιονίου, αποκαλύπτοντας –ίσως- με μεγαλύτερη βεβαιότητα την αναγκαιότητα ανάδυσης μιας νέας θεωρίας της σωματιδιακής φυσικής. Μέχρι τώρα οι 200 επιστήμονες από 35 ιδρύματα επτά χωρών (μεταξύ των οποίων η Ιταλία, Κίνα, Ν. Κορέα και Γερμανία) που συμμετέχουν στο πείραμα, έχουν αναλύσει λιγότερα από το 6% των δεδομένων του πειράματος. Αναμένεται τα επόμενα δύο χρόνια να υπάρχουν περισσότερα δεδομένα.
Αν επιβεβαιωθεί η πειραματική απόκλιση του μιονίου από τις θεωρητικές προβλέψεις, τότε οι επιστήμονες θεωρούν ότι το Καθιερωμένο ή Πρότυπο Mοντέλο (Standard Model) όπως ονομάζεται η κυρίαρχη θεωρία της φυσικής που εξηγεί το σύμπαν, θα έχει δεχθεί ισχυρή αμφισβήτηση. Το Πρότυπο Μοντέλο με μια σειρά παραδοχών περιγράφει τη συμπεριφορά 17 θεμελιωδών σωματιδίων και τριών αλληλεπιδράσεων (δυνάμεων) – των έξι τύπων κουάρκς, έξι λεπτονίων, τις τρεις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (και τα τέσσερα σχετικά σωματίδια φορείς τους), καθώς και το μποζόνιο Higgs. Από το Καθιερωμένο Μοντέλο διαφεύγει η βαρύτητα, η αλληλεπίδραση στην οποία βασίζεται η δόμηση του μεγάκοσμου. Αυτός βέβαια ήταν πάντα ένας λόγος αναζήτησης μιας θεωρίας της φυσικής που θα ενοποιεί την εικόνα μας για τη φύση. Τώρα, με τις πειραματικές αποκλίσεις δυναμώνουν τα ερωτηματικά για την ισχύ του Καθιερωμένου Μοντέλου.
Από την ιστορική εμπειρία στην ανάπτυξη των επιστημονικών επαναστάσεων του 20ου αιώνα οι φυσικοί ερευνούν όλα τα ενδεχόμενα. Πρωτίστως τα αποτελέσματα του πειράματος. Στη συνέχεια το ενδεχόμενο ύπαρξης αγνώστων έως τώρα σωματιδίων, αλλά και αλληλεπιδράσεων (δυνάμεων) μεταξύ των σωματιδίων. Ακόμη και το ενδεχόμενο να χρειαστεί μια μεγάλη τροποποίηση θεμελιωδών νόμων της φυσικής. Τα πειραματικά δεδομένα έχουν την προτεραιότητα, αλλά η θεωρητική σκέψη πρέπει να κάνει τα αποφασιστικά βήματα. Σε μια φύση που βρίσκεται σε διαρκή κίνηση και μεταβολή υπάρχουν πολλά που πρέπει να διερευνηθούν και να ανακαλυφθούν. Οι μεγάλες επαναστάσεις στη φυσική του 20ού αιώνα, η θεωρία της σχετικότητας και η κβαντομηχανική, φαίνεται ότι δεν τελείωσαν στον «σύντομο αιώνα» των ιστορικών. Η επανάσταση στη φυσική, αλλά γιατί όχι και στην κοινωνία, έχει πολλές εκπλήξεις να μας προσφέρει.
