كان من الممكن أن يكون أحد أصغر الأشياء في الكون قد غير كل شيء نعرفه عنه.
كشف مختبر Fermi National Accelerator Laboratory التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (Fermiab) في إلينوي يوم الأربعاء عن النتائج المرتقبة للغاية لتجربة فيزياء الجسيمات المعروفة باسم Muon g-2. النتائج الغريبة ، التي أظهرت شيئًا مختلفًا تمامًا عما توقعته النظريات القياسية ، صدمت علماء الفيزياء حول العالم – وإذا تأكدت ، فإنها تشير إلى أن نظريات الفيزياء الأساسية قد تكون خاطئة.
“لقد حان الوقت لمركبتنا للهبوط على المريخ ،” عالم الفيزياء فيرميلاب كريس بولي أخبر نيويورك تايمز للنتائج.
البيانات المنشورة في المجلة خطابات الفحص البدني ، أظهر أن الجسيمات الأساسية التي تسمى الميونات تتصرف بطرق لم يتنبأ بها النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. النموذج القياسي هو نظرية مرجعية تشرح القوى الأربع المعروفة في الكون وجميع الجسيمات الأساسية. حتى أن النموذج القياسي تنبأ بوجود بوزون هيغز قبل عقود من اكتشافه تجريبيًا في عام 2012.
قال رينيه فاتيمي ، الفيزيائي في جامعة كنتاكي ورئيس المحاكاة لتجربة مون: “هذا دليل قوي على أن الميون حساس لشيء ليس في أفضل نظرياتنا”. في بيان صحفي.
الجسيمات المذكورة أعلاه ، والتي تسمى الميونات ، تتصرف بطريقة خاصة عند تعرضها لمجال مغناطيسي قوي في فيرميلاب. قد تكون هذه النتيجة الغريبة نتيجة جسيم أساسي جديد غير معروف حتى الآن – والذي من المحتمل أن يلقي مفتاحًا في كل ما يعرفه البشر عن الفيزياء.
لكن ليس كل الفيزيائيين يشترون النتائج. والسبب يتعلق جزئيًا برقم يسمى سيجما.
بحثا عن سيجما
في الفيزياء ، كما هو الحال في معظم العلوم التي تتضمن تجارب ، تتميز النتائج التجريبية برقم ، سيجما، والتي تنقل الاحتمال أن النتيجة المذكورة هي فرصة عشوائية.
لنفترض أنك كتبت نظرية مفادها أن العملات المعدنية تأتي دائمًا وجهاً لوجه ، ثم أجريت تجربة حيث قلبت عملة معدنية 100 مرة ورأيت عملتك ترتفع في كل مرة. من الممكن في الواقع أن يحدث هذا – في الواقع ، سيحدث مرة واحدة تقريبًا – لكن نتائجك ، رغم كونها صادمة في البداية ، لن تثير إعادة التفكير في نظرية تقليب العملة. هذا لأن 100 تقليب ليست كافية لمحاولة ضمان رقم سيجما الذي من شأنه أن يدل على الحالة “صحيح بما لا يدع مجالاً للشك”. سيتطلب هذا نتيجة تسمى 5 سيجما ، والتي تتوافق مع احتمال واحد من كل 30 مليونًا أن تجربتك كانت حظًا.
جاءت تجربة Fermilab مع الميونات في أعقاب تجربة في مختبر Brookhaven الوطني في عام 2001 ، والتي كان لها دلالة تبلغ حوالي 3.7 سيغما. بالاقتران مع نتائج Fermilab ، زادت قيمة سيجما إلى 4.2 سيجما ؛ 5 هو المعيار الذهبي للعلماء للمطالبة باكتشاف جديد.
بعبارة أخرى ، لم تصل تجربة Muon g-2 إلى المعيار الذهبي لخمسة سيجما.
مرة واحدة في الميون الأزرق
على الرغم من أنها واحدة من اثني عشر جسيمًا أساسيًا في الكون ، نادرًا ما تُرى الميونات ؛ لديهم خصائص مشابهة للإلكترونات العادية ، من حيث أنها تحمل شحنة ، لكن كتلتها أكبر بكثير من تلك الخاصة بأبناء عمومتها الإلكترونية. تتمتع الميونات أيضًا بعمر قصير للغاية: بعد أن تنشأ في تصادمات عالية الطاقة ، مثل عندما تضرب الأشعة الكونية الغلاف الجوي للأرض ، فإنها تتحلل بمعدل 1.56 ميكروثانية في وقت لاحق. إنه أحد الألغاز العظيمة للفيزياء أن بعض الجسيمات الأساسية في الكون ستكون غير مجهزة للبقاء في هذا الكون.
على غرار ابن عمها الإلكترون ، تمتلك الميونات مغناطيسية داخلية ؛ مثل أي مغناطيس ، يمكن التلاعب بها وإعادة توجيهها في وجود المجالات المغناطيسية. يمكن لمسرعات الجسيمات Fermilab إنتاج كميات كبيرة من الميونات ، وهو ما فعله باحثو Fermilab في تجربة Muon g-2 – حيث تابعوا كيفية تفاعل الميونات في معجل الجسيمات في وجود مجال مغناطيسي قوي.
في مثل هذا المجال المغناطيسي ، يتأرجح الميون بطريقة يحددها رقم جوهري يُعرف باسم العامل g. يتغير هذا الرقم اعتمادًا على بيئة الميون والتفاعلات مع الجسيمات الأخرى. تم تصميم Muon g-2 لقياس عامل جي الميون بدقة عالية جدًا.
ما حدث في تجربة Muon g-2 هو ، بكل بساطة ، أن النتيجة المتوقعة مختلفة عما تمليه النظرية. الفجوة ، على الورق ، تبدو صغيرة. وفقًا للنموذج القياسي ، فإن عامل g المقبول للميون هو 2.00233183620. لكن التجربة الجديدة أسفرت عن نتائج 2.00233184122 – بفارق 0.0000000000502.
قد تبدو صغيرة. ولكن بالنسبة للنظرية التي تنبأت بدقة بخصائص الجسيمات بأرقام أكثر من ذلك ، فإن هذه الفجوة ضخمة.
قال فاطمي: “يعكس هذا المقدار الذي نقيسه تفاعلات الميون مع كل شيء آخر في الكون”. “ولكن عندما يحسب المنظرون نفس الكمية ، باستخدام جميع القوى والجسيمات المعروفة في النموذج القياسي ، فإننا لا نحصل على نفس الإجابة.”
سحابة من الميون ، حبة ملح
ومع ذلك ، على الرغم من حماس فريق Fermilab ، فإن بعض علماء الفيزياء حذرون بشأن النتائج.
قال بروس شوم ، أستاذ الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في سانتا كروز ومؤلف كتاب كتاب شعبي على النموذج القياسي ، قال صالون. سلط شوم الضوء على نجاح النموذج القياسي حتى الآن. وأشار إلى أنه “عندما تجري قياسًا وتقارن التوقعات بناءً على كل ما نعرفه – النموذج القياسي – هناك القليل من القلق من أن هذا الحساب ربما لم يتم بشكل صحيح تمامًا”.
كان آفي لوب ، الرئيس السابق لقسم علم الفلك بجامعة هارفارد ، أكثر تفاؤلاً بشأن النتائج – ولكن ، كما أشار ، بحذر.
“القياس مثير للفضول ، لكن أهميته الإحصائية البالغة 4.2 انحرافات معيارية لم تصل إلى المعيار الذهبي لبيانات فيزياء الجسيمات البالغ 5 ،” قال لوب لـ Salon عبر البريد الإلكتروني. “علاوة على ذلك ، من غير المعروف ما إذا كان الانحراف يمثل فيزياء جديدة أو سوء تقدير نظريًا ؛ حوالي ستة مجموعات من المنظرين تحسب القيمة المتوقعة ، والشكوك النظرية تحجب حجم الانحراف.”
وأضاف لوب: “على مر السنين ، ظهرت العديد من الحالات الشاذة لتختفي ، تاركة النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات دون تغيير”.
هذا صحيح بالفعل ويشهد على فعالية النموذج القياسي. ظهر شذوذ سابق في عام 2018 ، أ خبرة تضمن ذلك ربط الميونات بالبروتونات ، ثم أعطى قياس نصف قطر البروتون نتيجة معينة على البروتون. يبدو أن عرض البروتون المرصود ، عند ربطه بالميون ، أقصر بحوالي 4٪ مما كان متوقعًا. تكهن بعض الفيزيائيين بأن النتيجة يمكن تفسيرها من خلال “فيزياء جديدة” – أبعاد غير مكانية ، أو جسيمات أساسية جديدة ، أو شيء مشابه. دراسات المستقبل وجدت قيمًا أقرب إلى التوقعات الخاصة بعرض البروتون ؛ ومع ذلك ، فإن هذه لم يكن لديها قيم سيجما لتكون نهائية. اعتبارًا من عام 2020 ، ما زالت هيئة المحلفين خارجة ، لكن يبدو أن الفيزياء الجديدة أقل احتمالًا.
فيما يتعلق بنتائج Muon g-2 ، قال شوم إن علماء الفيزياء يعرفون أنه يبدو أن هناك “تأثيرًا جديدًا” مع الميونات في الوقت الحالي. لكن هذا لا يعني اكتشاف جسيمات جديدة – حتى الآن.
وقال شوم: “إذا كان هناك تأثير جديد ، فكل ما نعرفه هو أنه من المحتمل أن يكون هناك جسيم جديد يتم اكتشافه مرتبط بهذا التأثير”.
هل يمكن أن يظل النموذج القياسي خاطئًا؟
قال شوم: “من المؤكد أن القول بأن النموذج المعياري مهدد بالتهديد هو ضرب من الدراما المفرطة”. لطالما كان النموذج القياسي ، منذ يوم اختراعه ، ما يسمى بـ “النظرية الفعالة”. شبه شوم النموذج القياسي بـ “قمة جبل جليدي” ، حيث يتم ملاحظة الطرف وفهمه جيدًا على الرغم من أننا لا نعرف تمامًا ما الذي يختبئ تحت الماء. “سأراهن بأي مبلغ من المال [the Standard Model] لن يتم الإطاحة به أبدًا ، كتمثيل لتلك القمة من الجبل الجليدي “.
قارن شوم هذا السيناريو بالعلاقة بين قوانين نيوتن و نظرية النسبية لأينشتاين – مشيرا إلى أن ألبرت أينشتاين لم يرفض قوانين نيوتن ، بل استلهم منها. بعبارة أخرى ، إذا كان هناك جسيم جديد ، فمن غير المرجح أن يُلقى النموذج القياسي جانبًا ، بل يُبنى عليه.
احذر ، إذا تم تأكيد الفجوة من خلال التجارب المستقبلية ، فإنها لن تغير الفيزياء فحسب ، بل ستعمل أيضًا على تعميق فهمنا للكون – وربما حتى تفسير ظواهر لا يمكن تفسيرها مثل مادة سوداء، والتي يمكن أن تكون مرتبطة بـ الجسيمات غير المكتشفة.
قال لوب: “إذا تم إثبات الانحراف من خلال التحسينات المستقبلية في البيانات التجريبية والحسابات النظرية ، فإن الجسيمات الجديدة المعنية يمكن أن تكون مرتبطة بالمادة المظلمة في الكون”. “في الوقت الحالي ، لا نعرف طبيعة معظم المادة في الكون. معرفة ذلك سيساعدنا على فهم كيفية تكاتف المجرات مثل مجرة درب التبانة في التاريخ الكوني.”
هل تريد توصيل المزيد من القصص الصحية والعلمية إلى بريدك الوارد؟ اشترك في النشرة الإخبارية الأسبوعية للبرنامج العالم المبتذل.
