O echipă internațională de cercetători condusă de profesorul Nicolas Yunes de la Universitatea din Illinois a făcut recent o descoperire majoră prin măsurarea momentului magnetic al muonului cu o precizie fără precedent. Dar de ce este această particulă mică atât de importantă pentru știință și ce ar putea însemna aceste descoperiri?
Muonii sunt particule subatomice care fac parte din familia leptonilor, la fel ca electronii. Descoperiți în 1936 de fizicianul Carl Anderson, muonii împărtășesc anumite caracteristici cu electronii: au aceeași sarcină electrică negativă și un spin, un fel de moment cinetic care este unic pentru fiecare particulă. Cu toate acestea, ei se disting prin masa lor mult mai mare. Un muon este de aproximativ 207 ori mai greu decât un electron. Un muon ar fi pentru un electron ceea ce este un elefant pentru o pisică, păstrând în același timp aceeași natură fundamentală. Muonii sunt produși în mod natural în atmosfera Pământului atunci când razele cosmice (particule cu energie foarte mare din spațiul cosmic) interacționează cu moleculele din atmosfera noastră. Deși durata lor de viață este extrem de scurtă (aproximativ 2,2 milionimi de secundă), ei sunt atât de rapizi încât pot ajunge la suprafața Pământului înainte de a se descompune în particule mai ușoare, cum ar fi electronii și neutrinii.
Masa mare a acestor particule le face ideale pentru testarea teoriilor fizice. Datorită masei lor, muonii sunt mai sensibili la influențele particulelor și forțelor invizibile care ar putea exista dincolo de înțelegerea noastră actuală a fizicii. Cu alte cuvinte, muonii ar putea reacționa la forțe sau particule care sunt încă necunoscute, deschizând o fereastră către noi descoperiri. În plus, din cauza duratei lor scurte de viață, muonii nu sunt influențați de anumite interacțiuni pe care le au particulele mai stabile, cum ar fi protonii sau neutronii. Acest lucru le face o sondă extrem de pură pentru explorarea fenomenelor la scară subatomică.
Studiul momentului magnetic al muonului este deosebit de important. Această proprietate fundamentală reflectă modul în care o particulă reacționează la un câmp magnetic, ca un titirez care se rotește în funcție de forțele care îl înconjoară. Fiecare particulă are propriul său moment magnetic, iar acest lucru poate fi prezis cu exactitate de legile fizicii, în special de modelul standard, care descrie particulele elementare și forțele care le unesc. Pentru muon, momentul magnetic măsurat pare ușor anormal, adică se abate de la previziunile teoretice. Prin urmare, această schimbare ar putea fi o fereastră către o nouă fizică, dincolo de modelul standard.
La Fermilab, un celebru laborator de cercetare în domeniul fizicii particulelor din Statele Unite, fizicienii din cadrul colaborării Muon g-2 și-au propus să măsoare acest moment magnetic cu o precizie niciodată atinsă până acum. Pentru a face acest lucru, ei au făcut să circule muoni la o viteză apropiată de cea a luminii într-un inel de stocare cu diametrul de 7,1 metri, aplicându-le în același timp un câmp magnetic de aproximativ 30 000 de ori mai puternic decât cel al Pământului. Ca răspuns la acest câmp, aceste particule au început să se rotească în jurul axei lor, un fenomen cunoscut sub numele de precesie. Studiind comportamentul lor, cercetătorii au reușit să le determine momentul magnetic cu o precizie incredibilă de 0,2 părți la milion. Acest rezultat este de 2,2 ori mai precis decât măsurătorile anterioare efectuate în 2006.
Aceste noi date, prezentate într-un articol publicat în Physical Review D, sunt deosebit de interesante pentru comunitatea științifică, deoarece orice anomalie în momentul magnetic al muonului ar putea indica existența unor particule sau interacțiuni încă necunoscute. Într-adevăr, dacă măsurătorile continuă să arate o abatere de la predicțiile modelului standard, aceasta ar putea însemna că există alte forțe sau particule care influențează comportamentul muonilor și care scapă modelelor noastre actuale. Vă reamintim că Modelul standard al fizicii este în prezent cea mai bună teorie pentru explicarea particulelor și forțelor fundamentale. Acesta descrie electronii, protonii și neutronii, precum și forțele electromagnetică, nucleară și slabă. Cu toate acestea, în ciuda faptului că este incredibil de precis, acest model are deficiențele sale. El nu reușește să explice fenomene precum gravitația, materia întunecată și energia întunecată, componente misterioase care par să constituie o mare parte a Universului nostru.
Din cauza masei lor mai mari decât cea a electronilor, muonii sunt deosebit de sensibili la forțele și particulele care nu sunt incluse în modelul standard. Un studiu mai aprofundat al comportamentului lor ar putea conduce la teorii capabile să umple aceste lacune, cum ar fi supersimetria sau chiar teoria corzilor.
Deși rezultatele experimentului Muon g-2 sunt deja impresionante, cercetătorii nu și-au spus încă ultimul cuvânt. Ei intenționează să analizeze încă trei ani de date, ceea ce ar putea îmbunătăți și mai mult precizia acestor măsurători. Fiecare nouă măsurătoare și fiecare nou set date îi apropie pe oamenii de știință de răspunsul la o întrebare crucială: este comportamentul anormal al muonului dovada că înțelegerea noastră a fizicii este incompletă? Dacă răspunsul este afirmativ, am putea fi în pragul unei revoluții științifice.
