Czy fizyczny model naszego świata ma w ogóle sens? Uwięzili elektron w komorze, żeby to sprawdzić

„Jak bardzo moment magnetyczny elektronu powinien być zniekształcony w wyniku pływania w basenie cząstek wirtualnych?” Naukowcy z Uniwersytetu Northwestern w stanie Illinois w USA ogłosili, że udało im się znaleźć odpowiedź na to pytanie w lutym. Wyniki ich pracy zostały właśnie opublikowane w specjalistycznym czasopiśmie Physical Review Letters. Jeśli zastanawiacie się, o co tu właściwie chodzi, nie martwcie się, to wszystko tylko brzmi bardzo skomplikowanie. Tak naprawdę jest to dosyć proste! No dobra, może nie zupełnie „proste”, ale postaram się to wyjaśnić tak, by brzmiało bardziej zrozumiale niż pytanie postawione na początku tego tekstu.

Zacznijmy od tego, że jedną z najważniejszych teorii współczesnej fizyki jest tzw. model standardowy. Jest to teoria dotycząca cząstek elementarnych (czyli tych, z których zbudowany jest atom). Badaniami nad nimi zajmuje się między innymi słynny ośrodek CERN, w którym znajduje się największy na świecie zderzacz hadronów. Cały czas trwają poszukiwania nowych, nieznanych jeszcze nauce cząstek elementarnych. Dziesięć lat temu wielkim wydarzeniem było odkrycie Bozonu Higgsa. Przyniosło ono jego twórcom Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2013.

Czytaj także:
- Największy organizm na świecie jest pożerany żywcem
- Czy drzewo upadające w lesie wydaje dźwięk, jeżeli nikt go nie słyszy?
-To będzie przełom w poszukiwaniu życia poza Ziemią!

Fizycy wiedzą w takim razie, że model standardowy nie jest kompletny. Przewidywania oparte na tym modelu często nie pokrywają się z obserwacjami rzeczywistego wszechświata. To oznacza, że musi istnieć jeszcze coś, o czym nie wiemy, coś, co sprawia, że model ten wciąż wymaga uzupełnienia. Z czym nie radzi sobie model standardowy? Na przykład przy jego użyciu nie da się odpowiedzieć na kilka kluczowych pytań takich jak to, w jaki sposób wszechświat urósł się do swoich obecnych rozmiarów po Wielkim Wybuchu. Nie da się też wytłumaczyć, jak w ogóle nasz kosmos może istnieć - z jednej strony składa się bowiem on z obserwowalnej i dającej zmierzyć materii, a z drugiej wydaje się, że brakuje w nim antymaterii, która powinna ją równoważyć.

Jest jeszcze kilka luk, które sprawiają, że naukowcy wciąż mają wiele pracy przed sobą. Jak się przypuszcza, najpoważniejszym mankamentem modelu jest jego niezdolność do uwzględnienia grawitacji, która jest jednym z czterech głównych tzw. oddziaływań podstawowych (pozostałe trzy to: elektromagnetyczne, oraz oddziaływanie słabe i silne). Niewiarygodnie precyzyjne pomiary znanych już cząstek są kluczem do ustalenia, czego brakuje, ponieważ pomagają fizykom znaleźć luki w modelu standardowym.

Klasyczna fizyka definiuje pojęcie próżni jako przestrzeni, w której nie ma nic. Fizyka kwantowa mówi jednak, że prawdziwa pustka tak naprawdę nie istnieje. Nawet w tym, co nazywamy „próżnią”, pełno jest cząstek, które można określić mianem „wirtualnych". Bierze się to stąd, że pojawiają się one i znikają zbyt szybko, aby można je było wykryć i zbadać. Skoro tak, to skąd w ogóle wiadomo, że istnieją? Ponieważ w dający się zmierzyć sposób zmieniają właściwości innych cząstek. Innymi słowy, jeśli istnieje skutek, musi być też przyczyna. Stąd właśnie naukowcy wiedzą, że jeśli pewne cechy rzeczywistości nie zgadzają się z tym, co sugerują równania, może to być wskazówka, że w grę wchodzą nieodkryte cząstki wirtualne.

Jedną z kluczowych cech, jakie zmieniają w swoim otoczeniu te wymykające się poznaniu cząstki, jest pole magnetyczne generowane przez pojedynczy elektron, znane jako jego wspomniany „moment magnetyczny”. Gdyby możliwe było uwzględnienie w obliczeniach wszystkich „cząstek wirtualnych”, które istnieją, dałoby się opisać, jak bardzo moment magnetyczny elektronu powinien zostać zniekształcony, gdy ten znajdzie się wśród cząstek wirtualnych. Określanie owej wartości, czyli momentu magnetycznego elektronu, to coś, do czego model standardowy przydaje się najbardziej. Elektron nadaje się do testowania, ponieważ jest stabilny, dzięki czemu możliwe jest mierzenie cząstki przez długi czas w dobrze kontrolowanym środowisku.

Tym razem jest to rzadki przypadek, w którym można zrobić obie te rzeczy, co daje naukowcom szansę na przetestowanie modelu standardowego.

Wszystko to, nie jest tylko jakąś naukową zagadką, z która zmagają się naukowcy, tylko po to, by rozwiązać kolejne trudne równanie dla własnej satysfakcji. Badając moment magnetyczny, testują oni całą teoretyczną podstawę fizyki cząstek, czyli właśnie model standardowy. Jest on dla fizyki tym, czym dla chemii tablica okresowa pierwiastków. Opisuje on wszystkie cząstki subatomowe występujące w naszym świecie. To z nich składa się w istocie cała materia, którą tworzą składające się z nich atomy. Model zawiera również zestaw reguł określających, jak dokładnie zachowują się te cząstki.

Jak mówi Gerald Gabrielse, fizyk z Uniwersytetu Northwestern, jeden ze współautorów badania:

Wróćmy teraz do momentu magnetycznego. Aby go zmierzyć, badacze uwięzili pojedynczy elektron wewnątrz metalowej komory za pomocą superstabilnego pola magnetycznego, które sprawiło, że wirował jak zabawkowy bączek. Naukowcy zmierzyli parametry tego ruchu i następnie, po przeprowadzeniu odpowiednich obliczeń uzyskali wartość 1,00115965218059. Najistotniejsza dla nas jest jednak nie sama liczba, lecz liczba miejsc po przecinku, która świadczy o niezwykłej dokładności pomiaru. By zrozumieć, jak bardzo precyzyjny jest to wynik, wyobraźcie sobie, że otrzymujecie dane dotyczące swojego wzrostu, gdzie margines błędu wynosi tysiąc razy mniej niż średnica atomu!

Pomiar ten pokrywa się z przewidywaną przez model standardowy wartością przynajmniej do 12 cyfr po przecinku. To oznacza, że model standardowy jest, póki co, bezpieczny. Jednak to, czy dwie ostatnie cyfry się zgadzają, wciąż pozostaje tajemnicą, której na razie nie da się rozwikłać. Dlaczego? Fizycy muszą bowiem najpierw ustalić inną wartość — tzw. stałą struktury subtelnej. Jest to miara siły oddziaływania elektromagnetycznego i jest używana do obliczania momentu magnetycznego. Mało tego, naukowcy nie wiedzą, czy stała ta jest taka sama w całym wszechświecie! Obecnie istnieją dwie zasadnicze jej wartości — wspomniany H. Müller zmierzył jedną z nich, jednak wciąż dają one różne odpowiedzi na to, jaki powinien być moment magnetyczny elektronu. Prace nad tym, by to ustalić, trwają.

By skomplikować sytuację jeszcze bardziej, dodajmy, że istnieje jeszcze jedna cząstka, którą naukowcy uważnie badają w poszukiwaniu wskazówek! To mion, którego można określić jako niestabilnego krewnego elektronu. Jego masa jest ponad 200 razy większa, co sprawia, że badanie go jest o wiele łatwiejsze. Dwa lata temu naukowcy zmierzyli moment magnetyczny mionu i stwierdzili, że nie jest on zgodny z przewidywaniami modelu standardowego.

Jednak wynik ten nie jest zbyt dokładny, ponieważ ewentualny błąd wynosi tu około jednej części na milion. W przypadku elektronu potencjalna nieścisłość to jedna część na bilion. Nie wiadomo więc, czy rozbieżność w przypadku mionu wskazuje na istnienie nowych praw fizycznych, czy na popełniony błąd.

Poprawa dokładności o kolejny współczynnik 2 może sprawić, że zespół znajdzie się w sferze nowej, niezbadanej jeszcze fizyki. Cała dziedzina wkracza w erę niespotykanej wcześniej precyzji, wykraczając poza zwykłe zderzanie ze sobą cząstek jak np. w ośrodku CERN.

Zespół z Uniwersytetu Northwestern przeprowadził już obliczenia, które pokazują, jak pomiar momentu magnetycznego elektronu za pomocą jego metod może pomóc w poszukiwaniu ciemnych fotonów. To kolejne z „wirtualnych cząstek”, które oddziałują z ciemną materią, podobnie jak znane nam fotony ze zwykłą materią. Jak na razie, wyniki są obiecujące.