Jauns fundamentālais spēks? Pa pēdām atklājumam, kas var izmainīt daļiņu fizikas pamatus  (49)

Vai runa būtu par to, kāpēc objekti pēc pasviešanas gaisā atkal nokrīt zemē, vai par to, kāpēc kompass rāda uz magnētiskajiem ziemeļiem un kāpēc eksistē tāda lieliska lieta kā diagnostika ar magnētisko rezonansi, to visu var reducēt līdz četriem fundamentāliem spēkiem jeb mijiedarbībām. Tā ir gravitācija, elektromagnētisms, stiprā mijiedarbība un vājā mijiedarbība.

Līdz šim viena no veiksmīgākajām fizikas teorijām ir Elementārdaļiņu Standarta modelis – tā raksturo trīs no četrām fundamentālajām mijiedarbībām – elektromagnētisko, stipro mijiedarbību (vai kodolspēku) un vājo mijiedarbību (vai kodolspēku). Kā zināms, viss, kas mums apkārt, sastāv no atomiem. Savukārt pašus atomus veido subatomiskās daļiņas – protoni, neitroni, elektroni. Ja elektrons pats par sevi ir elementārdaļiņa, tad neitroni un protoni sastāv no dažādām vēl sīkāku daļiņu – kvarku – kombinācijām. Fiziķiem zināmās daļiņas iekļautas šajā standarta modelī – tajā ir 12 matērijas daļiņas jeb fermioni (seši kvarki un seši leptoni), kā arī mijiedarbības nesējdaļiņas jeb bozoni – gluoni, fotoni, Z bozons un W bozons, kā arī Higsa bozons.

"Fermilab" eksperimentā novērotais tieši saistīts ar vienu no matērijas daļiņām – mioniem. Mioni ir nestabili leptoni ar negatīvu elektrisko lādiņu, kas piedalās vājajā mijiedarbībā un elektromagnētiskajā mijiedarbībā, gluži kā elektroni. Taču mionu masa ir daudz lielāka par elektronu masu, turklāt mioni, kā jau minēts, ir ļoti nestabili un var eksistēt vien aptuveni divas mikrosekundes. Mioniem ir ½ spins (elementārdaļiņu kustības daudzuma moments, kas tām piemīt neatkarīgi no to kustības), kas tostarp liek tiem uzvesties gluži kā sīkiem magnētiem – tie magnētiskā lauka ietekmē svārstās, skaidro "Live Science".

Lūk, tātad "Fermilab" eksperimentā "Muon g-2" daļiņas tika virzītas pa 14 metrus garu magnētisku gredzenu, fiksējot mionu svārstības. Fiziķi novēroja, ka mioni svārstās daudz ātrāk nekā to paredz Standarta modelis. Iespējamais izskaidrojums novērotajam ir vai nu kāda vēl neatklāta elementārdaļiņa vai vēl viena – piektā fundamentālā mijiedarbība, faktiski mums līdz šim nezināms fundamentāls dabas spēks.

"Fermilab" zinātnieki ir salīdzinoši pārliecināti par iegūtajiem datiem un to, ka tiešām novērota mioniem netipiskas svārstības, nevis anomālija datos, tomēr paziņot par jaunu atklājumu vēl nevar. Lai zinātnieki varētu noteikt, ka novērotais ir statistiski nozīmīgs, izmanto tā dēvēto P vērtību. Daudzās zinātnes jomās – bioloģijā, psiholoģijā, klīniskajos pētījumos medicīnā – par statistiski nozīmīgu korelāciju var sākt runāt, ja P < 0.05. Ja P < 0.001, tad var runāt jau par spēcīgu statistisko nozīmību. Taču ne daļiņu fizikā. Arī tad, kad 2012. gadā starptautiska fiziķu grupa paziņoja – beidzot eksperimentāli pierādīta Higsa bozona eksistence –, šis slieksnis bija daudz striktāks. Toreiz zinātnieki norādīja, ka divas atsevišķas datu kopas sasniedz nepieciešamo 5-sigma jeb piecu standartnoviržu slieksni. Tas nozīmē, ka šādi novērojumi nejauši varētu gadīties vien vienā gadījumā no 3.5 miljoniem. Pārnesot to uz P vērtību, tā būtu mazāka par 0.0000003.

Daļiņu fizikā tradicionāli pieņemts, ka paziņot par "pierādījumiem par jaunu daļiņu" var pie 3-sigma sliekšņa. Par atklājumu paziņot var, ja sasniegts augstāk minētais 5-sigma slieksnis jeb varbūtība, ka novērotais ir sakritība jeb anomālija datos nevis reāls fenomens, ir mazāka par vienu gadījumu no 3.5 miljoniem. "Fermilab" veiktais novērojums ar neparastajām mionu svārstībām šo augstāko latiņu nesasniedz, taču pārsniedz trīs standartnoviržu slieksni, kas ļauj runāt pieļāvumu formā – ir pierādījumi, kas teorētiski varētu liecināt par jaunas daļiņas (vai mijiedarbības) eksistenci.

"Šis ir spēcīgs pierādījums, ka mionu ietekmē ir kaut kas, kas nav iekļauts mūsu labākajā teorijā – Standara modelī," paziņojumā par eksperimenta pirmajiem rezultātiem norāda Kentuki Universitātes fiziķe Renē Fatemi.

Skaidrs, ka "Fermilab" fiziķi mierā neliksies un turpinās eksperimentus – tas varētu pašos pamatos papildināt zinātnieku izpratni par to, kā Visums strādā.

Kaut apgalvot vēl nevar, daļai zinātnieku intuīcija liek domāt, ka te gaidāmas lielas lietas: "Mana "sestā maņa" liek domāt, ka šis būs pa īstam. Es visu savu darba mūžu esmu meklējis mums vēl nezināmas elementārdaļiņas un spēkus, un te nu šis brīdis ir klāt. Šis ir brīdis, kuru gaidīju, un šobrīd pat nesanāk īsti labi pagulēt, jo esmu pārāk satraukts," BBC klāsta profesors Bens Alanahs no Kembridžas Universitātes, kurš konkrēti pats šajā eksperimentā nebija iesaistīts.

Tiesa, "Muon g-2" eksperimentam ir arī ne tikai konkurenti, bet viedokļu pretinieki – atsevišķa pētnieku grupa izdevumā "Nature" publicējusi savas aplēses, saskaņā ar kurām arī šāda novērota mionu svārstība magnētiskā lauka ietekmē tomēr sakrīt ar Standarta modeļa prognozēm un "nekāda jauna fizika" nav nepieciešama.

"Ja mūsu aplēses ir pareizas un šie jaunie mērījumi nemaina kopējo stāstu, tad izrādīsies, ka mums nevajag nekādu jaunu fiziku, lai izskaidrotu mionu svārstības – tās seko Standarta modeļa nosacījumiem," uzskata Zoltans Fodors, konkurējošā pētījuma vadošais autors. Kam izrādīsies taisnība, rādīs laiks.

Pavisam nesen ar aizraujošām vēstīm par, iespējams, jaunu elementārdaļiņu vai spēku klajā nāca arī pētnieki no CERN Lielā hadronu paātrinātāja. Arī pietiekami nozīmīgi dati, lai paziņotu par iespējamiem pierādījumiem, bet vēl ne gana nozīmīgi, lai apstiprinātu jaunu atklājumu. Kā toreiz BBC norādīja Londonas Impērijas koledžas fiziķis – būs nepieciešami jauni dati un jauni mērījumi. Ja kāds no šiem eksperimentiem sasniegs nepieciešamo slieksni, lai paziņotu par atklājumu, iespējams, Standarta modelī gaidāmi papildinājumi.