Το πείραμα Muon g-2 και το μέλλον της θεμελιώδους φυσικής

Τον προηγούμενο μήνα, το πείραμα Muon g-2 στο εργαστήριο Fermilab της Αμερικής δημοσίευσε τα τελευταία αποτελέσματά του. Πρόκειται για ένα από τα σημαντικότερα πειράματα θεμελιώδους φυσικής και λαμβάνει αρκετή δημοσιότητα συχνά, με αναφορές σε πιθανή ανακάλυψη καινούργιων αλληλεπιδράσεων ή καινούργιων διαστάσεων. Και ακόμα περισσότερο το πρώτο αποτέλεσμα που είχε δημοσιευτεί το 2021, όταν ο Mike Bloomberg (!?) το είχε αποκαλέσει πιθανώς το πιο συγκλονιστικό γεγονός του 21ου αιώνα που ίσως καθορίσει το μέλλον του ανθρώπινου είδους!

Αντί να εξηγήσουμε λεπτομέρειες του πειράματος, σε αυτό το άρθρο ας κάνουμε ένα βήμα πίσω για να συζητήσουμε την κατάσταση της θεμελιώδους φυσικής γενικά, ώστε να εξηγήσουμε γιατί το αποτέλεσμα αυτό είναι τόσο σημαντικό. Και αν ο Bloomberg είχε κανένα δίκιο τελικά – εκτός από το βασικά επιχείρημα του άρθρου του ότι η χρηματοδότηση στην επιστημονική έρευνα πάντα αξίζει (εκεί είχε σίγουρα δίκιο).

Για αρκετές δεκαετίες μέσα στον 20ό αιώνα η θεμελιώδης φυσική γνώρισε φανταστικές επιτυχίες, τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Οι θεωρητικοί φυσικοί ανέπτυξαν το Καθιερωμένο Μοντέλο, που αποτελεί ίσως τη βαθύτερη γνώση για το σύμπαν και την πραγματικότητά μας που έχουμε κατακτήσει ως ανθρώπινο είδος. Και οι πειραματικοί φυσικοί ανακάλυπταν όλο και περισσότερα θεμελιώδη σωματίδια και λεπτομέρειες για τις αλληλεπιδράσεις τους, με τελευταία την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2011 στο LHC – η οποία ήταν και ο μεγαλύτερος θρίαμβος του Καθιερωμένου Μοντέλου: μέχρι και η τελευταία πρόβλεψή τους βγήκε σωστή χωρίς καμία απολύτως έκπληξη!

Όμως, το πρόβλημα είναι ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι λίγο περισσότερο καθιερωμένο και επιτυχημένο από ότι θα έπρεπε! Βλέπετε βρισκόμαστε στην περίεργη κατάσταση να είμαστε πρακτικά σίγουροι ότι υπάρχει Καινούργια Φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο (μεταξύ άλλων, για να εξηγήσει τη φύση της Σκοτεινής Ύλης), και όμως ακόμα δεν έχουμε βρει κανένα ίχνος της στο LHC και σχεδόν σε όλα τα πειράματα που έχουμε επιχειρήσει. 

Γι’αυτό λοιπόν υπάρχει τόσο ενδιαφέρον γύρω από τη μέτρηση Muon g-2. Η αρχική μέτρηση στο εργαστήριο Brookhaven πριν από 20 περίπου χρόνια είναι μια από τις σημαντικότερες πειραματικές αποκλίσεις από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Μοντέλου, και έχει καθοδηγήσει θεωρίες για την υφή πιθανής Καινούργιας Φυσικής. Τα αποτελέσματά μας στο Fermilab επιβεβαίωσαν την πειραματική μέτρηση και ισχυροποίησαν την ελπίδα ότι πρόκειται για επίδραση Καινούργιας Φυσικής, που εκφράζεται στις κβαντομηχανικές διακυμάνσεις της αλληλεπίδρασης με το μαγνητικό πεδίο του πειράματος. 

Υπάρχουν και άλλα αποτελέσματα από πειράματα με μιόνια που φαίνεται να αποκλίνουν από τη θεωρητική πρόβλεψη, έτσι φαίνεται πιθανόν η Καινούργια Φυσική να προτιμά να αλληλεπιδρά με τη “δεύτερη γενιά” σωματιδίων (όπου τα μιόνια ανήκουν), που εξηγεί επίσης γιατί δεν έχουμε δει ακόμα σημάδια σε πειράματα με ηλεκτρόνια (που είναι “πρώτης γενιάς”).

Όμως πρόσφατες αναλύσεις από θεωρητικές ομάδες μέσω κβαντικής χρωμοδυναμικής πλέγματος (lattice QCD) δημιουργούν αμφιβολίες για την ερμηνεία του αποτελέσματος. Είναι πιθανόν η απόκλιση να οφείλεται στον υπολογισμό των κβαντικών ισχυρών αλληλεπιδράσεων εντός του Καθιερωμένου Μοντέλου. Και αυτό θα ήταν πολύ ενδιαφέρον, αλλά σίγουρα όχι τόσο επαναστατικό όσο καινούργια θεμελιώδης δομή.

Έτσι μένουμε ακόμα χωρίς ατράνταχτα στοιχεία καινούργιας θεμελιώδους φυσικής. Ίσως, η Καινούργια Φυσική βρίσκεται σε τόσο υψηλές ενεργειακές κλίμακες που πρακτικά το ανθρώπινο είδος μας δεν πρόκειται ποτέ να ανακαλύψει – αυτή είναι η προοπτική της Μεγάλης Ερήμου. Από την άλλη, ίσως η απόκλιση του Muon g-2 είναι το πρώτο σημάδι καινούργιων ανακαλύψεων που μπορεί να συγκλονίσουν τα θεμέλια της κατανόησης του Σύμπαντός μας. 

Γι’αυτό μετά την πειραματική επιβεβαίωση του Muon g-2, στα επόμενα χρόνια θα έχουμε και την απάντηση για το πώς να ερμηνεύσουμε θεωρητικά την απόκλιση. Και η απάντηση αυτή ίσως καθορίσει το μέλλον της θεμελιώδους φυσικής, και την αρχέγονη προσπάθεια να κατανοήσουμε τον κόσμο γύρω μας. Δεν ήταν τελείως τρελός λοιπόν ο Mike ο Bloomberg. Περιμένουμε με ανυπομονησία!