Fizicienii sunt mereu în căutarea unor teorii noi care să ne îmbunătățească înțelegerea universului și să răspundă unor mari întrebări încă nerezolvate. Dar există o problemă: cum poți căuta forțe sau particule încă nedescoperite dacă nu știi cum arată?
Să luăm, de exemplu, materia întunecată. Vedem semne ale acestei misterioase prezențe cosmice în tot universul, dar din ce ar putea fi alcătuită? Orice ar fi, vom avea nevoie de o nouă fizică pentru a înțelege ce se întâmplă cu adevărat.
Datorită unui nou rezultat experimental publicat recent, însoțit de noi calcule teoretice, s-ar putea să avem acum o idee despre cum ar trebui să arate această fizică nouă și poate chiar câteva indicii despre materia întunecată.
Faceți cunoștință cu miuonul
De 20 de ani, unul dintre cele mai promițătoare semne ale unei fizici noi este reprezentat de o mică inconsistență în magnetismul unei particule numite miuon. Miuonul seamănă mult cu un electron, dar este mult mai greu.
Miuonii sunt produși atunci când razele cosmice – particule de mare energie din spațiu – lovesc atmosfera Pământului. Aproximativ 50 de miuoni trec prin corpul tău în fiecare secundă.
Miuonii pot traversa obiecte solide mult mai bine decât razele X, așa că sunt utili pentru a descoperi ce se află în interiorul unor structuri mari. De exemplu, au fost folosiți pentru a căuta camere ascunse în piramidele egiptene și mexicane, pentru a studia camerele magmatice din interiorul vulcanilor în scopul prezicerii erupțiilor și pentru a observa în siguranță interiorul reactorului nuclear de la Fukushima după topirea acestuia.
O fisură minusculă în fizică?
În 2006, cercetătorii de la Brookhaven National Laboratory din Statele Unite au măsurat cu o precizie incredibilă forța magnetismului miuonului.
Măsurătoarea lor a fost exactă până la aproximativ șase părți din zece miliarde; echivalentul măsurării masei unui tren de marfă încărcat cu o precizie de zece grame. Această măsurătoare a fost comparată cu rezultatele unor calcule teoretice la fel de impresionante.
Când cercetătorii au comparat cele două valori, au descoperit o diferență mică, dar semnificativă; un dezacord între teorie și experiment. Să fi descoperit, în sfârșit, fizica nouă pe care o căutau?
Un experiment mai bun
Pentru a obține un răspuns definitiv, comunitatea științifică internațională a început un program de 20 de ani pentru a crește precizia ambelor rezultate.
Imensul electromagnet folosit în experimentul original a fost încărcat pe o barjă și transportat pe coasta de est a SUA și apoi pe fluviul Mississippi până la Chicago. Acolo, a fost instalat la Fermilab, unde s-a desfășurat un experiment complet revizuit.
Recent cercetătorii au anunțat că au încheiat acel experiment. Rezultatul lor final pentru forța magnetismului miuonului este de 4,4 ori mai precis, cu o incertitudine de doar o parte și jumătate din zece miliarde.
Și calcule mai bune
Pentru a ține pasul, teoreticienii au fost nevoiți să facă și ei îmbunătățiri majore. Au format Inițiativa „Muon g-2 Theory”, un proiect colaborativ internațional cu peste 100 de oameni de știință, dedicată obținerii unei predicții teoretice cât mai precise.
Aceștia au calculat contribuțiile la magnetismul miuonului din peste 10.000 de factori. Au inclus chiar și o particulă numită bosonul Higgs, descoperită în 2012.
Dar a rămas o ultimă dificultate: forța nucleară tare, una dintre cele patru forțe fundamentale ale universului. În special, calcularea celei mai mari contribuții din partea acestei forțe nu a fost deloc ușoară.
Antimaterie vs. supercalculatoare
Această contribuție nu putea fi calculată în același mod ca celelalte, așa că a fost nevoie de o abordare diferită.
În 2020, Inițiativa „Muon g-2 Theory” a apelat la coliziunile dintre electroni și antiparticulele lor, pozitronii. Măsurătorile acestor coliziuni electron–pozitron au furnizat valorile lipsă de care aveam nevoie.
Împreună cu toate celelalte părți, acest rezultat a condus la un dezacord puternic cu cea mai recentă măsurătoare experimentală. Dezacordul era aproape suficient de semnificativ încât să poată fi anunțată descoperirea unei fizici noi.
În același timp, eu exploram o abordare diferită. Împreună cu colegii mei din proiectul colaborativ Budapest-Marseille-Wuppertal am efectuat o simulare pe un supercalculator a acestei contribuții puternice.
Rezultatul nostru a eliminat tensiunea dintre teorie și experiment. Însă acum aveam o nouă tensiune: între simularea noastră și rezultatele coliziunilor electron–pozitron, care rezistaseră la 20 de ani de verificări. Cum ar fi putut acele rezultate vechi de 20 de ani să fie greșite?
Indiciile despre fizica nouă dispar
De atunci, alte două grupuri de cercetători au produs simulări complete care sunt de acord cu ale noastre, iar multe alte grupuri au validat părți ale rezultatului nostru.
De asemenea, am produs o simulare nouă, complet revizuită, care aproape că dublează precizia noastră (disponibilă ca preprint, nefiind încă evaluată de colegi sau publicată într-un jurnal științific).
Pentru a ne asigura că aceste simulări noi nu au fost influențate de vreo preconcepție, au fost realizate „în orb”. Datele din simulare au fost înmulțite cu un număr necunoscut înainte de a fi analizate, astfel încât nu știam ce înseamnă un rezultat „bun” sau „rău”.
Apoi a avut loc o întâlnire tensionată și emoționantă. Factorul de orbire a fost dezvăluit și am aflat rezultatul a ani de muncă, totul deodată. În urma acestui proces, rezultatul nostru cel mai recent se potrivește și mai bine cu măsurătoarea experimentală a magnetismului miuonului.
Dar altele apar
Inițiativa „Muon g-2 Theory” a decis să folosească în predicția sa oficială rezultatele simulărilor în locul datelor din coliziunile electron–pozitron, iar indiciul despre o fizică nouă pare să fi dispărut.
Cu excepția faptului că… de ce diferă datele din electron–pozitron? Fizicienii din întreaga lume au studiat intens această întrebare, iar una dintre cele mai interesante ipoteze este o particulă ipotetică numită „foton întunecat” (dark photon).
Acest foton întunecat ar putea explica nu doar diferența dintre cele mai recente rezultate privind miuonul și experimentele electron–pozitron, ci și, dacă există, modul în care materia întunecată se raportează la materia obișnuită.
Traducere după How physicists used antimatter, supercomputers and giant magnets to solve a 20-year-old mystery de Finn Stokes, Ramsay Fellow in Physics, University of Adelaide.
