تختلف الاكتشافات العلمية - اكتشاف غير متوقع للنشاط الإشعاعي أو بحث طويل عن بوزون هيجز المتوقع. لكن بعض الاكتشافات تكون مختلطة عندما تشير بعض التلميحات في البيانات إلى قياسات مستقبلية قد تستغرق سنوات. الآن البحث العلمي من النوع الأخير يحدث للتو ، والذي يمكن أن يسبب صدى كبير في الفيزياء.
في فبراير 2018 ، بدأ تعاون 190 عالمًا يعملون في
مختبر فيرمي الوطني للمسرعات في إلينوي باستخدام مجموعة مغناطيسية بحلقة قطرها 15 مترًا لاتخاذ واحد من أدق القياسات في التاريخ. في هذه الدراسة ، المسماة "
تجربة ناقص 2 " (g-2) ، سيقيس العلماء
العزم المغناطيسي الشاذ لجسيم دون ذري نادر ، وميون ، قريب ثقيل للإلكترون. ميون وحده يمكن أن يوجد في ترتيب 2.2 جزء في المليون.
تم قياس العزم المغناطيسي ، أي قوة المغناطيس التي أنشأها الميون ، بخطأ قدره
10-12 . إنه نفس قياس المسافة من الأرض إلى الشمس بخطأ مليمتر. اليوم ، لا تتوافق القيم المحسوبة والقياسية ، وقد يكون هذا الاختلاف التلميح الأول للفيزياء خارج النموذج القياسي - النظرية الحالية التي تصف العالم دون الذري.
سيكون هذا اكتشافًا عظيمًا ، حيث سيعمل الفيزيائيون بكل سرور على إحداث فجوة في النظرية السائدة. سيؤدي ذلك إلى نموذج علمي جديد ومحسن يتواءم بشكل أفضل مع مهمته. وبالنظر إلى أن النظرية الحالية ناجحة تمامًا ، فإنها ستدفع معرفتنا إلى الأمام حقًا.
بمجرد دخول المجال المغناطيسي ، تبدأ الميونات في الظهور ، أي تتأرجح بطريقة معينة. في المجال المغناطيسي ، يمكننا قياس تواتر الحركة. يشمل هذا القياس شحنة الجسيمات
والعامل ز ، المستخدم للتمييز بين متغيرات معينة من النظريات. في النظرية الكلاسيكية ، g = 1 ، وفي نظرية الكم غير النسبية ، g = 2.
أظهرت قياسات العامل g للإلكترونات ، الذي بدأ بعد فترة وجيزة من الحرب العالمية الثانية ، اختلافًا طفيفًا عن القيمة النظرية 2 ، وأعطى نتيجة تجريبية 2.00232. ويرجع هذا الاختلاف إلى التأثيرات الموصوفة في نظرية
الديناميكا الكهربائية الكمومية QED. بالتركيز على الفرق بين النظرية والتجربة 0.00232 ، بدا أن الباحثين يطرحون الاثنين من النتيجة ، وهذا هو سبب تسمية التجربة (g-2).
في الديناميكا الكهربائية الكمومية ، من بين أمور أخرى ، ندرس وجود جسيمات افتراضية ، أو ما يسمى أحيانًا الرغوة الكمومية. الجسيمات الافتراضية هي مرق من جزيئات المادة والمادة المضادة التي تنشأ من العدم لجزء من الثانية ، ثم تختفي مرة أخرى ، كما لو أنها لم تكن هناك. تظهر في كل مكان ، ولكنها مهمة بشكل خاص عندما تظهر بجانب الجسيمات دون الذرية.
من عام 1997 إلى عام 2001 ، قام الباحثون في مختبر بروكهافن الوطني بقياس عامل الميون ز بدقة 12 رقمًا مهمًا وقارنوا هذه النتيجة بالحسابات النظرية للدقة نفسها. النتائج لم تتطابق. لفهم أهمية هذا التناقض ، من الضروري فهم خطأهم. على سبيل المثال ، إذا أردت معرفة أي من الشخصين أعلى ، وكان الخطأ في قياساتك نصف متر ، فمن غير المحتمل أن تصل إلى أي استنتاج مقنع.
الفرق بين النتائج المقاسة والمحسوبة ، مقسومًا على الخطأ المجمع (ما يسميه العلماء سيجما) ، هو 3.5. في فيزياء الجسيمات ، تعتبر سيجما 3.0 دليلاً مقنعًا ، لكن الاكتشاف الحقيقي يتطلب قيمة 5.0.
عادة ، من المتوقع أن يقوم المجربون في Brookhaven بتحسين إعدادهم وجمع المزيد من البيانات ، ولكن العقبات التي لا يمكن التغلب عليها تقف في طريق المختبر. لذلك ، قرر الباحثون نقل حلقة g-2 إلى Fermilab ، حيث يوجد معجل قادر على توصيل المزيد من الميونات. تم نقل المعدات 5000 كم على مركب على طول الساحل الشرقي وأعلى نهر المسيسيبي. في يوليو 2013 ، وصلت إلى Fermilab.
على مر السنين ، تم تحديث الحلقة بالكامل ، وتم تركيب أجهزة كشف وإلكترونيات محسنة. التركيب الجديد لديه فرص هائلة. بالمناسبة ، سكان المناطق المجاورة لديهم أسطورة أن بقايا صحن طائر سقطت مخزنة في المختبر. قل ، بطريقة ما ، تحت غطاء الليل ، خرجت شاحنة من المختبر ، برفقة الشرطة ، كان هناك 15 مترًا بالسيارة تحت قماش القنب.
بدأ تعاون Fermilab g-2 عمله. سيبدأ التثبيت وسيبدأ تسجيل البيانات ، والذي سيستمر حتى بداية يوليو.
ما هي النتيجة التي يمكن للعلماء الحصول عليها؟ إذا كان كل شيء يسير كما هو متوقع ، وتبين أن قيمة g المقاسة في Fermilab هي نفسها المقاسة في Brookhaven ، فإن الفرق في البيانات المسجلة في Fermilab هو 5 سيغما. وهذا يعني الاكتشاف.
من ناحية أخرى ، قد لا تكون نتيجة Fermilab هي نفسها في Brookhaven. قد يتطابق البعد الجديد مع الحسابات ، وبعد ذلك لن تكون هناك اختلافات.
ولكن ماذا لو قام g-2 بالاكتشاف؟ ماذا ستكون النتيجة المحتملة؟ كما ذكرت سابقًا ، فإن اللحظة المغناطيسية الشاذة للميون حساسة جدًا لوجود جسيمات افتراضية قريبة. هذه الجسيمات تغير قليلاً العزم المغناطيسي للميون. علاوة على ذلك ، فإن المصادفة الفائقة الدقة للقياسات والحسابات لن تكون ممكنة إذا لم تكن الجسيمات الافتراضية موجودة.
ومع ذلك ، وهو أمر واضح تمامًا ، تم استخدام الجسيمات الافتراضية المعروفة فقط في الحسابات. قد يكون أحد التفسيرات المحتملة لهذا التباين الملحوظ هو وجود جزيئات دون ذرية إضافية غير معروفة في الرغوة الكمومية.
تجدر الإشارة إلى أن الاكتشافات في مجال الجسيمات دون الذرية قد تم الاحتفاظ بها لعقود من قبل مسرعات الجسيمات عالية الطاقة. تصف معادلة آينشتاين الشهيرة E = mc
2 هوية الكتلة والطاقة. لذلك ، لفتح الجسيمات الثقيلة ، هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة. اليوم ، يعتبر Collider Hadron Collider في CERN أقوى مسرع.
ومع ذلك ، فإن طريقة القوة الغاشمة لصنع الجسيمات ليست الطريقة الوحيدة لدراسة منطقة الطاقة العالية. يقول مبدأ عدم اليقين في هايزنبرغ أنه حتى الأحداث "المستحيلة" النشطة يمكن أن تحدث إذا كانت حياتها قصيرة بما يكفي. لذلك ، من الممكن أن يظهر جسيم افتراضي ، والذي لا يوجد عادة ، من عدم الوجود لفترة طويلة بما يكفي للتأثير على العزم المغناطيسي للميون. في هذه الحالة ، يمكن أن يكشف القياس الدقيق للغاية عن وجود هذا الجسيم. هذا هو الحال عندما يكون المشرط أفضل من مطرقة ثقيلة ، وربما في هذه الحالة ، يمكن أن تخطي تجربة G-2 في Fermilab المصادم LHC.
ولكن تجدر الإشارة إلى أن تاريخ العلم مليء بالحالات التي اختفت فيها الاختلافات في 3 سيجما بعد جمع بيانات إضافية. لذلك ، لا أنصح بالمراهنة على نتيجة هذا القياس. قد تتحول الاختلافات إلى تقلبات إحصائية. ومع ذلك ، قد لا يزال قياس G-2 في Brookhaven هو العلامة الأولى لاكتشاف تغيير النموذج. سيتم تحليل البيانات المسجلة هذا الربيع في الخريف وقد تظهر النتائج في وقت لاحق من هذا العام. ينبغي توقع نتائج الجولة الأولى من تجربة g-2 بتفاؤل حذر.