Ίθαν Σίγκελ, Τα επιχειρήματα υπέρ και κατά μιας 5ης θεμελιώδους δύναμης της φύσης. Ethan Siegel, The case for and against a 5th fundamental force of nature

Όταν αυτά που προβλέπουμε και αυτά που μετράμε δεν συμπίπτουν, αυτό είναι ένα σημάδι ότι υπάρχει κάτι νέο να μάθουμε. Θα μπορούσε να είναι μια νέα θεμελιώδης δύναμη; Τα κουάρκ και τα αντικουάρκ, τα οποία αλληλεπιδρούν με την ισχυρή πυρηνική δύναμη, έχουν χρωματικά φορτία που αντιστοιχούν σε κόκκινο, πράσινο και μπλε (για τα κουάρκ) και κυανό, ματζέντα και κίτρινο (για τα αντικουάρκ). Οποιοσδήποτε άχρωμος συνδυασμός, είτε κόκκινο + πράσινο + μπλε, κυανό + κίτρινο + ματζέντα, είτε ο κατάλληλος συνδυασμός χρώματος/αντιχρώματος, επιτρέπεται σύμφωνα με τους κανόνες της ισχυρής δύναμης. Εάν εμφανιστούν νέα φαινόμενα σε αυτά τα καλά μελετημένα συστήματα, θα μπορούσαν να υποδηλώνουν μια νέα θεμελιώδη δύναμη πέρα ​​από τις γνωστές τέσσερις. When what we predict and what we measure don't add up, that's a sign there's something new to learn. Could it be a new fundamental force? Quarks and antiquarks, which interact with the strong nuclear force, have color charges that correspond to red, green, and blue (for the quarks) and cyan, magenta, and yellow (for the antiquarks). Any colorless combination, of either red + green + blue, cyan + yellow + magenta, or the appropriate color/anticolor combination, is permitted under the rules of the strong force. If new phenomena appear in these well-studied systems, they could be indicative of a new fundamental force beyond the known four. Credit: Athabasca University/Wikimedia Commons

Παρά όλα όσα έχουμε μάθει σχετικά με τη φύση του Σύμπαντος — από ένα θεμελιώδες, στοιχειώδες επίπεδο έως τις μεγαλύτερες κοσμικές κλίμακες που μπορούμε να κατανοήσουμε — είμαστε απολύτως βέβαιοι ότι υπάρχουν ακόμη πολλές μεγάλες ανακαλύψεις που πρέπει να γίνουν. Οι καλύτερες θεωρίες μας σήμερα είναι εντυπωσιακές: οι κβαντικές θεωρίες πεδίου που περιγράφουν την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση καθώς και τις ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις από τη μία πλευρά, και η γενική σχετικότητα που περιγράφει τις επιδράσεις της βαρύτητας από την άλλη. Όπου και αν έχουν αμφισβητηθεί, από υποατομικές έως κοσμικές κλίμακες, αυτές οι δύο κατηγορίες θεωριών έχουν πάντα αναδειχθεί νικήτριες. Κι όμως, απλώς δεν μπορούν να αναπαραστήσουν όλα όσα υπάρχουν.

Υπάρχουν πολλά αινίγματα που υπονοούν αυτό. Δεν μπορούμε να εξηγήσουμε γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη από αντιύλη στο Σύμπαν με την τρέχουσα φυσική. Ούτε καταλαβαίνουμε ποια είναι η φύση της σκοτεινής ύλης ή αν υπάρχει κάποιο σωματίδιο που την κρύβει πίσω της. Δεν γνωρίζουμε αν η σκοτεινή ενέργεια είναι κάτι άλλο εκτός από μια κοσμολογική σταθερά ή πώς ακριβώς συνέβη ο κοσμικός πληθωρισμός (και με ποιες ιδιότητες) για να δημιουργήσει τις συνθήκες για τη Μεγάλη Έκρηξη. Ίσως ακόμη πιο ανησυχητικό, σε ένα θεμελιώδες επίπεδο, δεν γνωρίζουμε αν όλες οι γνωστές δυνάμεις ενοποιούνται κάτω από κάποια γενική ομπρέλα με κάποιο τρόπο ή αν υπάρχουν πρόσθετες θεμελιώδεις δυνάμεις πέρα ​​από τις γνωστές τέσσερις.

Έχουμε σίγουρα ενδείξεις ότι υπάρχουν περισσότερα στο Σύμπαν από αυτά που γνωρίζουμε αυτή τη στιγμή. Αλλά μήπως υπάρχει μια νέα, άγνωστη θεμελιώδης δύναμη ανάμεσά τους; Πιστέψτε το ή όχι, έχουμε δύο εντελώς διαφορετικές προσεγγίσεις για να προσπαθήσουμε να αποκαλύψουμε την απάντηση, και καμία από τις δύο δεν είναι ακόμη οριστική.

Ένα υποψήφιο συμβάν Higgs στον ανιχνευτή ATLAS στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN. Σημειώστε πώς ακόμη και με τις σαφείς υπογραφές και τις εγκάρσιες τροχιές, υπάρχει μια βροχή άλλων σωματιδίων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα πρωτόνια είναι σύνθετα σωματίδια και στο γεγονός ότι δεκάδες συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου συμβαίνουν με κάθε διασταύρωση δέσμης. Σε υψηλότερες ενέργειες, καθίστανται δυνατές ανακαλύψεις που δεν εμφανίζονται σε χαμηλότερες ενέργειες. Οι σύγχρονοι ανιχνευτές σωματιδίων είναι σαν ένα κέικ στρώσεων, με την ικανότητα να παρακολουθούν τα σωματιδιακά υπολείμματα προκειμένου να ανακατασκευάσουν τι συνέβη όσο το δυνατόν πιο κοντά στο σημείο σύγκρουσης. A candidate Higgs event in the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN. Note how even with the clear signatures and transverse tracks, there is a shower of other particles; this is due to the fact that protons are composite particles, and due to the fact that dozens of proton-proton collisions occur with every bunch crossing. At higher energies, discoveries that don’t appear at lower energies become possible. Modern particle detectors are like a layer-cake, with the ability to track the particle debris in order to reconstruct what happened as close to the collision point as possible. Credit: CERN/ATLAS Collaboration

Προσέγγιση #1: Άσκηση ωμής βίας

Αν θέλετε να ανακαλύψετε κάτι μέχρι τώρα άγνωστο στο Σύμπαν, μια προσέγγιση είναι απλώς να το διερευνήσετε με έναν πιο ακραίο τρόπο από ποτέ. Σκοπεύει να:

• να κατασκευάσετε ένα τηλεσκόπιο για να δείτε πιο πίσω στο χρόνο ή σε υψηλότερη ανάλυση από ποτέ,
• να κατασκευάσουν έναν επιταχυντή σωματιδίων ικανό να συγκρούει σωματίδια σε μεγαλύτερες ενέργειες από ποτέ,
• ή επινοώντας μια συσκευή για να ψύχει την ύλη πιο κοντά στο απόλυτο μηδέν από ποτέ,

είναι όλα παραδείγματα αυτής της προσέγγισης τύπου «ωμής βίας». Εξερευνήστε το Σύμπαν υπό πιο ακραίες συνθήκες από ό,τι έχετε εξερευνήσει ποτέ στο παρελθόν και μπορεί να αποκαλύψει κάτι σοκαριστικό, εκπληκτικό και, το πιο σημαντικό, συναρπαστικό να το εξετάσετε.

Αυτή είναι μια επιλογή που θα πρέπει πάντα να εξερευνούμε όσον αφορά το Σύμπαν, καθώς τα τρέχοντα όριά μας σε όλα αυτά καθορίζονται μόνο από τα συνδυασμένα όρια της τεχνολογίας μας τη στιγμή που επιλέξαμε να κάνουμε την τελευταία μεγάλη επένδυση σε αυτά τα μέτωπα. Με βελτιωμένες τεχνολογίες και την ικανότητα να επενδύουμε εκ νέου σε αυτές (και σε παρόμοιες) προσεγγίσεις, μπορούμε να ωθούμε συνεχώς τα ακραία όρια της ανθρώπινης γνώσης σε όλα τα σημαντικά σύνορα. Στις επιστήμες, μιλάμε για την υπέρβαση των προηγούμενων ορίων μας όσον αφορά το άνοιγμα νέου «χώρου ανακάλυψης» και μερικές φορές - όπως όταν ανοίξαμε τον ατομικό πυρήνα τον 20ό αιώνα - εκεί ακριβώς θα προκύψουν νέες θεμελιώδεις ανακαλύψεις.

Η σύγκρουση δύο σωματιδίων μπορεί να οδηγήσει σε πολύ κοντινή απόσταση μεταξύ φορτισμένων συστατικών, επιτρέποντάς μας να ελέγξουμε τη φύση διαφόρων νόμων δυνάμεων. Όταν δύο πρωτόνια συγκρούονται, δεν είναι μόνο τα κουάρκ που τα αποτελούν που μπορούν να συγκρουστούν, αλλά και τα θαλάσσια κουάρκ, τα γλουόνια και, πέρα ​​από αυτά, οι αλληλεπιδράσεις πεδίου. Όλα αυτά μπορούν να παρέχουν πληροφορίες για το σπιν των μεμονωμένων συστατικών και να μας επιτρέψουν να δημιουργήσουμε δυνητικά νέα σωματίδια εάν επιτευχθούν αρκετά υψηλές ενέργειες και φωτεινότητες. Αυτός είναι ένας τρόπος για να αναζητήσουμε νέες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. The collision of two particles can result in charged components getting very close, enabling us to test the nature of various force laws. When two protons collide, it isn’t just the quarks making them up that can collide, but the sea quarks, gluons, and beyond that, field interactions. All can provide insights into the spin of the individual components, and allow us to create potentially new particles if high enough energies and luminosities are reached. This is one way to search for new fundamental interactions. Credit: CERN/CMS collaboration

Προσέγγιση #2: Υψηλή ακρίβεια

Εναλλακτικά, μπορείτε να αναγνωρίσετε ότι οι τρέχουσες θεωρίες μας κάνουν πολύ ακριβείς προβλέψεις και ότι αν μπορούμε να κάνουμε πειραματικά μετρήσεις με την ίδια υψηλή ακρίβεια, μπορούμε να δούμε αν υπάρχουν αποκλίσεις από τις προβλέψεις που επιβεβαιώνονται από πειράματα και παρατηρήσεις. Αυτό μπορεί να συμβεί με διάφορους τρόπους, όπως:

• από την εξέταση ολοένα και μεγαλύτερου αριθμού σωματιδίων, συγκρούσεων ή γεγονότων,
• από τον έλεγχο των συνθηκών της πειραματικής σας συσκευής έως μεγαλύτερες ακρίβειες,
• από την αύξηση της καθαρότητας των δειγμάτων σας,

και ούτω καθεξής. Βασικά, κάθε φορά που προσπαθείτε να αυξήσετε την αναλογία σήματος προς θόρυβο αυτού που προσπαθείτε να μετρήσετε, είτε μέσω στατιστικών, βελτιωμένων πειραματικών διαδικασιών είτε εξαλείφοντας γνωστές πηγές σφάλματος, μπορείτε να αυξήσετε την ακρίβεια με την οποία μπορείτε να διερευνήσετε το Σύμπαν.

Αυτές οι προσεγγίσεις υψηλής ακρίβειας είναι οι πιο ελπιδοφόρες, από πολλές απόψεις, για την αποκάλυψη μιας νέας δύναμης σε δράση: αν δείτε ένα φαινόμενο - ακόμη και στο 10ο ή 12ο δεκαδικό ψηφίο - που διαφωνεί με τις θεωρητικές σας προβλέψεις, θα μπορούσε να είναι μια υπόδειξη ότι υπάρχει μια νέα δύναμη ή αλληλεπίδραση σε δράση. Δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη με ακρίβεια κάποια πέρα ​​από τις γνωστές τέσσερις, αλλά υπάρχουν πολλοί τομείς έρευνας υψηλής ακρίβειας όπου αυτό παραμένει μια πιθανότητα.

Πριν από την κυκλοφορία των τελευταίων δεδομένων ATLAS, η καλύτερη δηλωμένη μέτρηση της μάζας του μποζονίου W προήλθε από τη συνεργασία CDF στο Tevatron του Fermilab. Αυτά τα δεδομένα, στο δεξί μέρος του γραφήματος, είναι ασύμβατα με το Καθιερωμένο Πρότυπο σε τιμές μεγαλύτερες από πέντε σίγμα: υποδεικνύοντας είτε νέα φυσική είτε ένα άγνωστο σφάλμα στην εργασία τους. Ωστόσο, οι συνεργασίες ATLAS και CMS δείχνουν τώρα ότι τα δεδομένα είναι σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, υπονομεύοντας το αποτέλεσμα του CDF. Prior to the release of the latest ATLAS data, the best claimed measurement of the W-boson’s mass came from the CDF collaboration at Fermilab’s Tevatron. That data, on the right part of the graph, is incompatible with the Standard Model at greater than five sigma: indicating either new physics or an unidentified error in their work. However, the ATLAS and CMS collaborations now point to data being consistent with the Standard Model, undermining the CDF result. Credit: S. Heinemeyer, arXiv:2207.14809, 2002

Το κλειδί είναι να αναζητήσουμε αυτό που ονομάζουμε «ανωμαλίες» ή σημεία όπου η θεωρία και το πείραμα διαφωνούν. Το 2015, ένα πείραμα πυρηνικής φυσικής έδωσε αποτελέσματα που φάνηκαν να έρχονται σε αντίθεση με τις πολύ συγκεκριμένες προβλέψεις για το τι θα πρέπει να συμβεί όταν ένας ασταθής πυρήνας βηρυλλίου-8 δημιουργείται σε διεγερμένη κατάσταση. Θεωρητικά, το βηρύλλιο-8 κανονικά διασπάται σε δύο πυρήνες ηλίου-4. Σε διεγερμένη κατάσταση, θα πρέπει να διασπάται σε ένα φωτόνιο και δύο πυρήνες ηλίου-4. Και, πάνω από μια ορισμένη ενέργεια φωτονίου, θα πρέπει να υπάρχει η πιθανότητα αντί για ένα φωτόνιο και δύο πυρήνες ηλίου-4, να έχουμε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου και δύο πυρήνες ηλίου-4.

Το πείραμα είχε ως στόχο να μετρήσει τη γωνία υπό την οποία τα γεγονότα που παρήγαγαν ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου είχαν αυτά τα δύο σωματίδια, το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο, να σχηματίζουν το ένα σε σχέση με το άλλο. Το πείραμα του 2015, με επικεφαλής τον Attila Krasznahorkay, διαπίστωσε ότι υπήρχε μια μικρή αλλά σημαντική περίσσεια γεγονότων όπου το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο εκτρέπονταν σε μεγάλες γωνίες το ένα σε σχέση με το άλλο: περίπου 140 μοιρών και μεγαλύτερες. Αυτό έχει γίνει γνωστό ως η ανωμαλία Atomki , και πολλοί έχουν προτείνει ότι ένα νέο σωματίδιο και μια νέα, θεμελιώδης αλληλεπίδραση (ή πέμπτη δύναμη) θα μπορούσαν να είναι η βασική εξήγηση πίσω από αυτά τα ευρήματα.

Το μοντέλο του επιταχυντή Cascade, που χρησιμοποιήθηκε για τον βομβαρδισμό λιθίου και τη δημιουργία του Be-8, που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα που έδειξε για πρώτη φορά μια απροσδόκητη απόκλιση στις γωνίες μεταξύ ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων που προέκυψαν από τις διασπάσεις σωματιδίων, βρίσκεται στην είσοδο του Ινστιτούτου Πυρηνικών Ερευνών της Ουγγρικής Ακαδημίας Επιστημών. Αυτή η λεγόμενη «ανωμαλία Atomki» αμφισβητείται έντονα, με μόνο τους συγγραφείς (και λίγους αληθινούς πιστούς) να υποστηρίζουν ότι δημιουργεί κρίση στη φυσική. The model of the Cascade accelerator, used to bombard Lithium and create the Be-8 used in the experiment that first showed an unexpected discrepancy in the angles between electrons and positrons resulting from particle decays, located at the entrance of the Institute of Nuclear Research of the Hungarian Academy of Sciences. This so-called “Atomki anomaly” is heavily disputed, with only the authors (and a few true believers) asserting that it’s creating a crisis in physics. Credit: Horváth Árpád/Wikimedia Commons

Αλλά όχι μόνο υπάρχουν πολλαπλές  πιθανές  εξηγήσεις  πίσω από αυτό το αποτέλεσμα, αλλά η πιο απλή είναι ίσως και η πιο απογοητευτική: ότι υπήρξε κάποιο λάθος κάπου στην πορεία. Καταρχήν, θα μπορούσε να σημαίνει:

• ένα σφάλμα στους θεωρητικούς υπολογισμούς που έγιναν,
• ένα σφάλμα μέτρησης σε οποιοδήποτε σημείο της διαδρομής,
• ή ένα πειραματικό σφάλμα που σχετίζεται με τη ρύθμιση του πειράματος και τον τρόπο που διεξήχθη.

Σε αυτήν τη συγκεκριμένη περίπτωση, η εν λόγω ομάδα είχε προηγουμένως παράγει τρία αποτελέσματα , καθένα από τα οποία ισχυριζόταν την ανακάλυψη μιας πέμπτης δύναμης και υποδείξεις για ένα νέο σωματίδιο , αλλά κανένα από αυτά δεν επιβεβαιώθηκε. Προηγούμενες αιτίες οφείλονταν σε λανθασμένη βαθμονόμηση του εξοπλισμού: με ένα ασυνεπώς αποτελεσματικό φασματόμετρο να ευθύνεται για ορισμένα από τα προηγούμενα αποτελέσματα.

Υπάρχει μια ισχυρή υποψία, με βάση τη δημοσιευμένη μέθοδο βαθμονόμησης που χρησιμοποιήθηκε για αυτό το σύνολο πειραμάτων , ότι μια λανθασμένη βαθμονόμηση του πειράματος σε ενδιάμεσες γωνίες, από περίπου 100-125 μοίρες, είναι αυτό που κρύβεται πίσω από την υποτιθέμενη υπερβολή σε μεγάλες γωνίες. Αν και πολλοί εξακολουθούν να κυνηγούν αυτήν την ανωμαλία αναζητώντας μια πέμπτη δύναμη, ένα ανώτερο πείραμα γνωστό ως PADME θα πρέπει να λύσει το ζήτημα μια για πάντα.

Ο ηλεκτρομαγνήτης g-2 του μιονίου στο Fermilab, έτοιμος να δεχτεί μια δέσμη σωματιδίων μιονίου. Αυτό το πείραμα ξεκίνησε το 2017 και συνεχίζει να λαμβάνει δεδομένα, έχοντας μειώσει σημαντικά τις αβεβαιότητες στις πειραματικές τιμές. Θεωρητικά, μπορούμε να υπολογίσουμε την αναμενόμενη τιμή διατατικά, αθροίζοντας διαγράμματα Feynman, λαμβάνοντας μια τιμή που διαφωνεί με τα πειραματικά αποτελέσματα. Οι μη διαταρακτικοί υπολογισμοί, μέσω της κβαντικής πολυμορφίας πλέγματος (Lattice QCD), φαίνεται να συμφωνούν, ωστόσο, εμβαθύνοντας το παζλ της ανώμαλης μαγνητικής ροπής του μιονίου. The Muon g-2 electromagnet at Fermilab, ready to receive a beam of muon particles. This experiment began in 2017 and continues to take data, having reduced the uncertainties in the experimental values significantly. Theoretically, we can compute the expected value perturbatively, through summing Feynman diagrams, getting a value that disagrees with the experimental results. The non-perturbative calculations, via Lattice QCD, seem to agree, however, deepening the puzzle of the muon’s anomalous magnetic moment. Credit: Reidar Hahn/Fermilab

Μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα ανωμαλία που έχει εμφανιστεί στη φυσική τα τελευταία χρόνια είναι γνωστή ως το πείραμα Muon g-2 (προφέρεται απλώς «gee μείον 2»), του οποίου τα πρόσφατα αποτελέσματα φάνηκαν να επιβεβαιώνουν προηγούμενες πειραματικές ενδείξεις ότι αυτή η ιδιότητα φαινόταν να διαφωνεί με τις θεωρητικές προβλέψεις. Στη φυσική, η ποσότητα g που μετράμε είναι η γυρομαγνητική αναλογία: η ισχύς του μαγνητικού πεδίου ενός περιστρεφόμενου σωματιδίου σε σχέση με το ηλεκτρικό του φορτίο.

• Η αφελής πρόβλεψη για το g , από την απλή, παλιά κανονική κβαντομηχανική, είναι ότι το g θα ισούται με 2 τόσο για το ηλεκτρόνιο όσο και για το πιο ογκώδες αδελφό σωματίδιο του: το μιόνιο.

1. Η πιο σύνθετη πρόβλεψη περιλαμβάνει τη χρήση της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής: της κβαντικής θεωρίας πεδίου που περιγράφει την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση. Αντί της πρόβλεψης ότι το g θα ισούται με 2, η πρόβλεψη πλησιάζει περισσότερο στο g που ισούται με 2 + α/π, όπου α είναι η σταθερά λεπτής δομής (περίπου ~1/137,036) και π είναι η γνωστή τιμή 3,14159… που ορίζει την αναλογία της περιφέρειάς του προς τη διάμετρό του σε έναν κύκλο.

• Αλλά η πλήρης πρόβλεψη θα περιλάμβανε όχι μόνο την κβαντική ηλεκτροδυναμική, αλλά όλες τις κβαντικές δυνάμεις και αλληλεπιδράσεις στο Σύμπαν μας, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που αφορούν πυρηνικά σωματίδια όπως κουάρκ και γλουόνια. Αυτή η πρόβλεψη, αρκετά ρητά, είναι ελαφρώς διαφορετική από την απλή, παλιά πρόβλεψη της κβαντικής εξίσωσης (QED) και μπορεί να γίνει με περίπου 12 σημαντικά ψηφία.

Σήμερα, τα διαγράμματα Feynman χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό κάθε θεμελιώδους αλληλεπίδρασης που καλύπτει τις ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, συμπεριλαμβανομένων των συνθηκών υψηλής ενέργειας και χαμηλής θερμοκρασίας/συμπύκνωσης. Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, που παρουσιάζονται εδώ, διέπονται όλες από ένα μόνο σωματίδιο που φέρει δύναμη: το φωτόνιο, αλλά μπορούν επίσης να εμφανιστούν ασθενείς, ισχυρές και συζεύξεις Higgs. Today, Feynman diagrams are used in calculating every fundamental interaction spanning the strong, weak, and electromagnetic forces, including in high-energy and low-temperature/condensed conditions. The electromagnetic interactions, shown here, are all governed by a single force-carrying particle: the photon, but weak, strong, and Higgs couplings can also occur. Credit: V. S. de Carvalho and H. Freire, Nucl. Phys. B, 2013

Όπου έχετε πολύ ακριβείς προβλέψεις και την ικανότητα να συλλέξετε πολύ ακριβή πειραματικά αποτελέσματα, είναι ένα πείραμα που απλά πρέπει να κάνετε: είναι μια ευκαιρία να δοκιμάσετε τη φύση με τη μεγαλύτερη ακρίβεια όλων των εποχών με έναν τρόπο που δεν έχει διερευνηθεί ποτέ πριν. Εάν υπάρχει μια ανωμαλία - δηλαδή, μια αναντιστοιχία μεταξύ θεωρητικών προβλέψεων και πειραματικών αποτελεσμάτων - μπορεί απλώς να είναι μια υπόδειξη νέας φυσικής, και μια μορφή νέας φυσικής που μπορεί να συμβεί είναι η ανακάλυψη μιας νέας θεμελιώδους δύναμης.

Πειραματικά, γνωρίζουμε τώρα, από τα τελευταία αποτελέσματα του Fermilab, ότι το μετρούμενο g – 2 για το μιόνιο έχει προσδιοριστεί ότι είναι 0,00233184110 ± 0,00000000047. Αυτή είναι μια πολύ, πολύ ακριβής απάντηση και σαφώς (αν και ελαφρώς) διαφορετική από το 0,00232281945 που θα παίρνατε από την απλή, πρώτης τάξης συνεισφορά QED.

Υποστηρίχθηκε ότι αυτό αποκλίνει από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου σε αυτή την περίφημη σημαντικότητα των 5 σίγμα , υποδεικνύοντας ότι υπάρχει μόνο 1 στα 3,5 εκατομμύρια πιθανότητα να πρόκειται για στατιστική σύμπτωση: αρκετά σημαντική για να δικαιολογήσει ισχυρισμούς περί ανακάλυψης. Όταν οι επιστήμονες του Fermilab αποκάλυψαν τα πειραματικά αποτελέσματα, είδαμε ότι ήταν πραγματικά «τυφλά» εξαρχής. Ωστόσο, σε αυτήν την περίπτωση, οι θεωρητικές αβεβαιότητες είναι πλέον γνωστό ότι είναι πολύ μεγαλύτερες από ό,τι είχε εκτιμηθεί προηγουμένως , θέτοντας υπό αμφισβήτηση τη σημασία αυτής της «ανακάλυψης».

Αυτή η εικόνα, που αποτελείται από δύο σχήματα από τη λευκή βίβλο του 2025 της Πρωτοβουλίας Θεωρίας Μιονίων, δείχνει στο επάνω μέρος τις διαφορές μεταξύ θεωρίας και πειράματος ανάλογα με το ποια είσοδος πόλωσης αδρονικού κενού κορυφαίας τάξης χρησιμοποιείται. Τα πράσινα αποτελέσματα είναι όλα είσοδοι λόγου r (είσοδος πειραματικών δεδομένων), ενώ οι μπλε γραμμές είναι όλες είσοδοι QCD πλέγματος. Η ονομασία WP25 αντικατοπτρίζει αυτό που επιλέχθηκε στη λευκή βίβλο του 2025, με τον κάτω πίνακα να δείχνει τις διαφορές μεταξύ των λευκών βίβλων του 2020 και του 2025. This image, composed of two figures from the Muon Theory Initiative’s 2025 white paper, shows at top the differences between theory and experiment depending on which leading order hadronic vacuum polarization input is used. The green results are all r-ratio (experimental data input) inputs, while the blue lines are all lattice QCD inputs. The WP25 designation reflects what’s chosen in the 2025 white paper, with the lower table showing the differences between the 2020 and the 2025 white papers. Credit: R. Aliberti et al./Muon Theory Initiative, arXiv:2505.21476, 2025

Το ζήτημα έχει ως εξής.

• Είναι πολύ απλό να υπολογιστούν οι συνεισφορές στην προβλεπόμενη γυρομαγνητική αναλογία του μιονίου από τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα· οι αβεβαιότητες εκεί είναι μόνο περίπου 1 μέρος ανά δισεκατομμύριο.
• Ομοίως, οι επιδράσεις της ασθενούς πυρηνικής αλληλεπίδρασης μπορούν επίσης να ποσοτικοποιηθούν καλά, και οι αβεβαιότητες εκεί είναι επίσης μικρές: περίπου 10 μέρη ανά δισεκατομμύριο.
• (Οι πειραματικές αβεβαιότητες, για σύγκριση, είναι περίπου 190 μέρη ανά δισεκατομμύριο, αν συνδυάσετε όλα τα δεδομένα που απελευθερώθηκαν από το πείραμα g-2 , συμπεριλαμβανομένης της χρονικής περιόδου που το πείραμα διεξήχθη, νωρίτερα, στο Brookhaven, πριν μεταφερθεί στο Fermilab.)

Αλλά όταν πρόκειται για τις επιδράσεις της ισχυρής πυρηνικής δύναμης — τις συνεισφορές των κουάρκ, των γλουονίων και όλων των σύνθετων αλληλεπιδράσεων (όπως από τα μεσόνια και τα βαρυόνια) — αυτό δεν είναι εύκολο να υπολογιστεί. Στην πραγματικότητα, ο τρόπος με τον οποίο υπολογίζουμε τις επιδράσεις των ασθενών και ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, δηλαδή τον υπολογισμό των συνεισφορών από προοδευτικά ολοένα και πιο σύνθετα διαγράμματα αλληλεπίδρασης, δεν θα λειτουργήσει για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Το μόνο που μπορούμε να κάνουμε είναι είτε να προσθέσουμε δεδομένα από άλλα πειράματα για να εκτιμήσουμε τις επιδράσεις τους (η λεγόμενη μέθοδος λόγου R) είτε να προσπαθήσουμε να κάνουμε τους μη διαταρακτικούς υπολογισμούς της κβαντικής πολυπλοκότητας (QCD) σε έναν υπερυπολογιστή: τη μέθοδο της κβαντικής πολυπλοκότητας πλέγματος.

Αυτή η απεικόνιση μιας μεθόδου QCD πλέγματος δείχνει ότι ο χώρος και ο χρόνος διακριτοποιούνται σε ένα σύνολο σημείων που μοιάζουν με πλέγμα σε ένα πλέγμα. Καθώς η απόσταση μεταξύ των σημείων μειώνεται και το συνολικό μέγεθος του πλέγματος τείνει προς το άπειρο, η πραγματική τιμή για τους υπολογισμούς QCD προσεγγίζεται όλο και με μεγαλύτερη ακρίβεια. This depiction of a lattice QCD method shows that space and time are discretized into a set of grid-like points on a lattice. As the spacing between points decreases and the overall size of the lattice tends toward infinity, the true value for QCD calculations is approached more and more accurately. Credit: Ed van Bruggen/edryd

Παρόλο που τόσο οι υποστηρικτές του λόγου R όσο και οι υποστηρικτές της QCD πλέγματος ισχυρίζονται πολύ μικρά σφάλματα στην εργασία τους, τα διάφορα προβλεπόμενα αποτελέσματα καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα τιμών . Αυτό το εύρος εκτείνεται σε περίπου 370 μέρη ανά δισεκατομμύριο μεταξύ των διαφόρων εκτιμήσεων, με ορισμένες να επικαλύπτονται με τα πειραματικά δεδομένα του Fermilab και άλλες, ιδιαίτερα από τις παλαιότερες μεθόδους λόγου R, να διαφωνούν με τα δεδομένα του Fermilab σε τιμές μεγαλύτερες από το όριο των 5 σίγμα.

Αυτό δεν σημαίνει, ωστόσο, ότι υπάρχουν στοιχεία για μια πέμπτη δύναμη. Καθώς οι ομάδες επιστημόνων που εργάζονταν σε αυτό το παζλ κατέληξαν στο συμπέρασμα το 2025 , τα λάθη και οι αβεβαιότητες έχουν τελειώσει από θεωρητικής άποψης και, μέχρι να γίνουν καλύτεροι υπολογισμοί, τα πειραματικά αποτελέσματα δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξαχθεί ένα τόσο σαρωτικό και επαναστατικό συμπέρασμα.

Είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πόσο ζωτικής σημασίας είναι η διεξαγωγή ενός πειράματος όπως αυτό και ότι ο έλεγχος των θεωρητικών σας προβλέψεων μέσω πολλαπλών ανεξάρτητων μεθόδων είναι ένας από τους λίγους τρόπους για να βεβαιωθείτε ότι λαμβάνετε τη σωστή απάντηση. Σε αυτήν την περίπτωση, το πείραμα πρέπει να ηγηθεί και οι θεωρητικοί θα είναι τώρα αυτοί που θα αναγκαστούν να προσπαθήσουν να καλύψουν τη διαφορά. Μπορεί ακόμη να αποδειχθεί ότι υπάρχουν στοιχεία για μια πέμπτη θεμελιώδη δύναμη κάπου σε αυτά τα δεδομένα, αλλά θα χρειαστεί μια σημαντική πρόοδος στην θεωρητική ακρίβεια για να φτάσουμε εκεί και να γνωρίζουμε με βεβαιότητα. Ωστόσο, αυτό υπογραμμίζει μόνο το πόσο σημαντικό επίτευγμα μας έχουν προσφέρει μέχρι στιγμής τα πειραματικά αποτελέσματα της συνεργασίας Muon g-2 .

Ο ανιχνευτής LHCb έχει μια γνωστή και ποσοτικοποιήσιμη διαφορά στην αποτελεσματικότητα ανίχνευσης μεταξύ ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων και ζευγών μιονίων-αντιμιονίων. Η συνεκτίμηση αυτής της διαφοράς είναι ένα ουσιαστικό βήμα στη μέτρηση των πιθανοτήτων και των ρυθμών διάσπασης των Β-μεσονίων σε καόνια συν έναν συνδυασμό λεπτονίου-αντιλεπτονίου έναντι ενός άλλου. Έχουν πλέον δείξει ότι η καθολικότητα των λεπτονίων φαίνεται να ισχύει, καθώς οι σωστά βαθμονομημένες αναλογίες ζευγών ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων και ζευγών μιονίων-αντιμιονίων φαίνεται να είναι αδιαίρετες από το 1,0 με μια σωστή επαναβαθμονόμηση ενσωματωμένη στην ανάλυση της εποχής του 2022 και αργότερα. The LHCb detector has a known and quantifiable difference in detection efficiency between electron-positron pairs and muon-antimuon pairs. Accounting for this difference is an essential step in measuring the probabilities and rates of decays of B-mesons into kaons plus one lepton-antilepton combination over another. They have now shown that lepton universality appears to be true, as the properly calibrated ratios of electron-positron pairs and muon-antimuon pairs appears to be indistinguishable from 1.0 with a proper recalibration incorporated into 2022-era analysis and later. Credit: LHCb Collaboration, R. Aaij et al., JINST, 2019

Μπορεί να υπάρχει ακόμη μια πέμπτη θεμελιώδης δύναμη εκεί έξω, και θα μπορούσε να παραμονεύει οπουδήποτε τα δεδομένα μας έχουν εκπλήξει με τον έναν ή τον άλλον τρόπο. Ωστόσο, πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί ώστε να μην καταλήξουμε σε (σχεδόν σίγουρα) άκυρα συμπεράσματα με βάση προκαταρκτικά δεδομένα.

• Πολλοί πίστευαν ότι η συνεργασία XENON είχε εντοπίσει κάτι ανώμαλο στο πείραμα XENON1T, αλλά μια επακόλουθη ανώτερη επανάληψη αυτού του πειράματος έδειξε ότι η πειραματική ανωμαλία εξαφανίστηκε.
• Πολλοί πίστευαν ότι η ανωμαλία Atomki θα οδηγούσε στην ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου και μιας πέμπτης θεμελιώδους δύναμης, αλλά η αδυναμία αναπαραγωγής των αποτελεσμάτων της και η έλλειψη ενός τέτοιου προβλεπόμενου σωματιδίου σε άλλα πειράματα έχουν επισκιάσει εντελώς αυτές τις προοπτικές.
• Πολλοί εξακολουθούν να ελπίζουν ότι η σκοτεινή ενέργεια θα αποδειχθεί κάτι διαφορετικό από μια κοσμολογική σταθερά, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί ακόμη να είναι μια πέμπτη θεμελιώδης δύναμη της φύσης, αλλά όλες οι παρατηρήσεις δείχνουν μόνο ελάχιστα στοιχεία για απόκλιση από την βαρετή παλιά κοσμολογική σταθερά που προέβλεψε ο Αϊνστάιν πριν από 100 χρόνια.

Αλλά πρέπει να θυμάστε ότι κάθε τέτοιος ισχυρισμός πρέπει να αντέξει στον έλεγχο. Πολλοί ήλπιζαν ότι τα στοιχεία της συνεργασίας DAMA/LIBRA για τη σκοτεινή ύλη θα επιβεβαιώνονταν, αλλά αποδείχθηκε ότι ήταν μια πρόχειρη μεθοδολογία που οδήγησε σε αμφίβολα αποτελέσματα. Πολλοί ήλπιζαν ότι η καθολικότητα των λεπτονίων θα παραβιαζόταν, αλλά η συνεργασία LHCb, ίσως προς έκπληξή τους, κατέληξε να δικαιώνει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Και πολλοί ήλπιζαν ότι η παρατήρηση νετρίνων ταχύτερων από το φως θα προμήνυε μια επανάσταση στη φυσική, αλλά αυτές οι ελπίδες εξανεμίστηκαν με την ανακάλυψη ενός χαλαρού καλωδίου στο πείραμα OPERA.

Όσον αφορά την πέμπτη θεμελιώδη δύναμη, είναι ακόμα δυνατή, και αν εμφανιστεί κάπου, πιθανότατα θα είναι μια ανωμαλία υψηλής ακρίβειας που θα την αποκαλύψει πρώτη. Αλλά είναι ζωτικής σημασίας να κατανοήσουμε σωστά την επιστήμη, διαφορετικά θα φωνάζουμε «λύκος» με δική μας ευθύνη: απλώς επειδή φωνάξαμε πριν εστιάσει στην πραγματικότητα οτιδήποτε προσπαθούσαμε να δούμε.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά τον Αύγουστο του 2023. Ενημερώθηκε τον Μάρτιο του 2026.

Πηγή: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/5th-fundamental-force/