Új, mindeddig ismeretlen erőt fedeztek fel

A világegyetem gyorsuló tágulását sem lehet megmagyarázni a Standard Elmélettel

A Chicago melletti Bataviában működő részecskefizikai kutatóintézet, a Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory, FNAL) tudóscsoportja a múlt héten tett bejelentés szerint egy mindeddig ismeretlen új természeti erőt azonosított, ami ugyanúgy kimutatható az univerzum legtávolabbi szegleteiben, mint a közvetlen környezetünkben is. Amennyiben sikerül megerősíteni az amerikai kutatók felfedezését, ez új alapokra helyezheti a modern fizikát.

Olyan erő nyomára bukkantak, ami hiányzik a Standard Modellből

A Fermilab kutatócsoportja több bizonyítékot is talált arra, hogy a müonoknak nevezett szubatomi részecskék nem úgy viselkednek, mint ahogy azt a szubatomi fizika jelenleg érvényes modellje, a Standard Modell megjósolja. A részecskefizika Standard Modellje az elektromágnesességet, a gyenge és erős kölcsönhatást, valamint az alapvető elemi részecskéket leíró kvantumelmélet, amely a kvantummechanikával és a speciális relativitáselmélettel is összhangban áll.

A Standard Modell az univerzum általános működését próbálja meg leírni. Ebben a modellben lett összefoglalva, hogy a részecskék és a négy alapvető erőből három, az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás hogyan kapcsolódnak egymáshoz. A negyedik kölcsönhatást, a gravitációt már nem sikerült beleilleszteniük ebbe. Az egyesített elmélet az a teória, amely összhangba hozná a relativitás és a kvantumelméletet Forrás: http://fizikaiszemle.hu/archivum/fsz0807/SM-poszter.jpg

Eddig majdnem az összes kísérleti teszt igazolta a jóslatait, az egyetlen kivételnek tekinthető „isteni részecske", a Higgs-bozon létezését pedig 2012-ben a CERN kutatói bizonyították empirikusan. (A Higgs-bozon felelős a többi részecske tömegéért.)

A Higgs-bozon elbomlásának nyomai az LHC CMS-detektorában Forrás: CERN, Collaboration, CMS; Taylor, L

A Fermilab tudósai által elvégzett kísérletek arra utalnak, hogy egy mindeddig ismeretlen erő hathat a müonokra.(A müon a leptonok közé sorolt elemi részecske, az elektron nagyjából 200-szor nehezebb „testvére".) Egyelőre még több adat szükséges az eddigi kísérleti eredmények megerősítéséhez, de ha ez sikerrel jár, a felfedezés egy új forradalom kezdetét jelentheti az elméleti fizikában.

Az IceCube Neutrínó Detektor. Az ábrán egy beérkező müon-neutrínó keltette müon Cserenkov-sugárzásának nyomát látjuk a detektorban Forrás: IceCube Collaboration

A tudósok az eddigi eredményeiket a Journal Physical Review Letters szaklapban publikálták.

Egyelőre még óvatosan fogalmaznak a tudósok

A jelenlegi ismereteink szerint összesen négy olyan erőhatás létezik - ezek az elektromágnesesség, a gravitáció, a gyenge és erős kölcsönhatás -, amelyek azt szabályozzák, hogy univerzum objektumai és a részecskék hogyan lépnek egymással kölcsönhatásba.

A most közzétett felfedezéshez vezető méréseket a Fermilab kutatócsoportja még 2021-ben kezdte el.

A Fermilab részecskekutató intézet épülettömbje Chicago mellett Forrás: Fermilab

Dr. Brendan Casey, az intézet vezető tudósa szerint az eddig elvégzett kísérletnek köszönhetően a kutatócsoportnak sikerült kétszeresére csökkentenie a mérésekből származó bizonytalansági tényezőt. "Valójában egy teljesen új területet vizsgálunk. A (méréseket) minden eddiginél jobb pontossággal határozzuk meg" – nyilatkozta dr. Brendan Casey. A „g mínusz kettő (g-2)" elnevezésű kísérlet során a kutatók a müonoknak nevezett szubatomi részecskéket egy 15 méter átmérőjű részecskegyorsítóban - erős szupravezető mágnesek segítségével - csaknem fénysebességre felgyorsítva tanulmányozták körülbelül ezer körfordulaton.

A „g mínusz kettő (g-2)” kísérlet az intézet 15 méter átmérőjű gyorsítójában végezték el Forrás: Fermilba/Reidar Hahn

A kutatók azt találták, hogy a müonok merőben másként viselkedtek, mint ami a jelenleg elfogadott Standard Modellből következne, ezért arra a következtetésre jutottak, hogy a müonok csak egy új, eddig ismeretlen természeti erő hatására viselkedhetnek úgy,

hogy az nem magyarázható meg a jelenlegi elmélettel.

Bár az eddigi bizonyítékok igen erősek, de ennek ellenére a Fermilab tudósai egyelőre még óvatosan fogalmaznak azt hangsúlyozva, hogy az eddigi eredményeket újabb, további mérésekkel kell megerősíteni.

Ez lehet az elméleti fizika Szent Grálja

Az amerikai kutatók úgy vélik, hogy a még fennálló elméleti bizonytalanságok két éven belül kellően leszűkülnek ahhoz, hogy kétséget kizáró bizonyossággá tegyék a felfedezésüket. A Svájcban működő Európai Nagy Hadronütköztető (LHC) rivális tudóscsapata viszont abban reménykedik, hogy ebben meg fogják előzni az amerikai kollégáikat.

A CERN a részecskefizikai kutatások egyik vezető intézete Forrás: Stvorecz Adrián

Dr. Mitesh Patel, a londoni Imperial College munkatársa - aki egyben az LHC egyik fizikusa is -, azt nyilatkozta a BBC News-nak, hogy az elméleti fizikában az lesz minden idők egyik legnagyobb áttörése, ha olyan kísérleti eredményekre jutnak, amelyek ellentétesek a Standard Modellel.

Egy olyan viselkedés, ami nem egyezik meg a Standard Modell jóslataival, maga a részecskefizika Szent Grálja"

– szemlélteti a felfedezés jelentőségét dr. Mitesh Patel. Ha a Fermilab kutatócsoportjának beigazolódik a feltevése, ez vitathatatlanul az egyik legnagyobb tudományos áttörés lesz Albert Einstein relativitáselmélete óta.

Albert Einstein alkotta meg az általános relativitáselméletet, illetve a téridő fogalmát Forrás:Popper Foto/Getty Images

Ennek az az oka, hogy az ötödik erő (és a hozzá kapcsolódó részecskék) nem részei a részecskefizika jelenlegi Standard Modelljének. A kutatók körében már régebb óta ismert, hogy léteznek olyan jelenségek, amit „a Standard Modellen túli fizikaként" írnak le,

mivel a jelenlegi elmélet nem tud megmagyarázni számos olyan jelenséget, amit a csillagászok észlelnek az univerzumban.

Ilyen például az univerzum gyorsuló tágulása, amit a hagyományos modellel nem, csak egy ismeretlen és hipotetikus erő, az úgynevezett sötét energia közbeiktatásával lehet megmagyarázni.

A világegyetem gyorsuló tágulását sem lehet megmagyarázni a Standard Elmélettel Forrás: NASA

De a galaxisok is gyorsabban forognak a számítottnál, a kutatók pedig úgy vélik, hogy ennek a sötét anyagnak nevezett láthatatlan részecskék az okai, amelyek szintén nem részei a Standard Modellnek. Az új felfedezés tehát lehet, hogy a részecskefizika sokat keresett Szent Grálja lesz.