Откриването на мюона в началото обърква физиците. Днес експерименти на учени от цял свят използват преди това объркващата частица, за да разберат света около нас.
В началото на 20 век за физиците вече бе известно, че планетата ни сякаш се облива от космосмически душ от частици. С помощта на стъклени камери, пълни със силно кондензирани пари, те биха могли косвено да видят следите, оставени от тези силно енергийни частици, сега известни като космически лъчи. По този начин те бързо откриват, че субатомният свят е по-сложен, отколкото преди са подозирали.
Първата нова частица, която откриват, бе мюонът. Тя е много подобна на електрона, само че по-масивна.
Някои са смятали, че тя може да е хипотетичната частица, която задържа протоните и неутроните заедно в един атом. Но двама италианци, провеждащи експерименти в Рим по време на Втората световна война, доказват друго.
След като отхвърлят няколко алтернативни теории - включително една, която показа, че тази частица може да е нов вид електрон - физиците остават с едно заключение: Те са открили частица, която никой не е предвиждал.
Макар учените да не са подозирали, че в "менюто" може да има мюони, откриването на мюоните в крайна сметка води до откриване за това, как е създадено това меню: Частиците могат да бъдат различни версии, като всяка има един и същ заряд, спин и взаимодействия, но различна маса. Мюонът например има един и същ заряд, спин и електрослаби взаимодействия като електрона, но е около 200 пъти по-масивен и има още по-масивна версия на електрона и мюона, наречена таон или тау-лептон.
| Заредена частица / античастица | неутрино / антинеутрино | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Поко-ление | Име | Сим-вол | За-ряд | Маса (GeV) | Име | Сим-вол | За-ряд | Маса (GeV) |
| I | Електрон | e - | −1 | 0,000511 | Електрон неутрино | ν e | 0 | <0,000003 |
| Анти-електрон (позитрон) | e + | +1 | Електрон анти-неутрино | νe | ||||
| II | Мюон | μ - | −1 | 0,1056 | Мюон неутрино | ν μ | 0 | <0,19 |
| Антимюон | μ + | +1 | Мюон анти-неутрино | νμ | ||||
| III | Таон (тау-лептон) |
τ - | −1 | 1,777 | Тау неутрино | ν τ | 0 | <18,2 |
| Антитаон | τ + | +1 | Тау анти-неутрино | ντ | ||||
Таблица на лептоните.
Основавайки се на този принцип физиците предсказват съществуването на поколенията на други частици, като неутрино, които с електроните, мюоните и таоните оформят групата частици, наречени лептони. В крайна сметка учените ще открият, че всички материални частици в Стандартния модел, включително кварките, могат да бъдат организирани в три поколения, макар че само най-леките са стабилни.
Мюоните продължават да бъдат полезни инструменти за открития и до днес. Два международни експеримента, единият в момента се провежда, а другият ще започне в началото на 2020-те, използват по-рано объркващите частици, за да придвижат напред границите на физиката.
Физиката на аромата и експериментът Mu2e
Всяко от трите поколения на частиците се нарича „аромат“.
Отначало учените са предполагали, че ароматът е свойство, което подобно на масата или енергията трябва да се запазва, когато частиците взаимодействат помежду си. Това се оказва не съвсем вярно, но почти.
"Когато имате някакво взаимодействие, което включва заредени лептони, като разпад на частици или някакъв вид взаимодействие на високо енергийни частици, номерът на даден аромат на заредените лептони остава същият", отбелязва Джим Милър (Jim Miller), професор по физика в Бостънския университет.
Например, когато мюоните се разпадат, те се превръщат в електрон, антиелектронно неутрино и мюонно неутрино. Електронът и антиелектронното неутрино се отменят взаимно по аромат, оставяйки само мюонното неутрино, което има същия аромат като първоначалния мюон.
Запазването на ароматите е полезно, то позволява на физиците да предвидят взаимодействията, които ще се наблюдават в ускорителите на частици и ядрените реакции. И тези прогнози се оказват правилни.
Тогава обаче физиците откриват, че групата (незаредени лептонови) частици, наречени неутрино, не знаят, че се очаква да спазват правилата. По време на дългото си пътуване до Земята от центъра на Слънцето, където са създадени в реакции на синтез, частиците неутрино свободно се колебаят между различните поколения, превръщайки се от електронни неутрино в мюонни неутрино и в тау неутрино и обратно, без да отделят допълнителни частици.
Илюстрация на превръщането на мюонно неутрино в електронно неутриното, а след това пак в мюонно. Източник: Physicsworld.com
Този феномен, който спечели на изследователите Такааки Кайта и Артур Б. Макдоналд, Нобеловата награда за физика за 2015 г., остави въпроса: Ако неутриното може да наруши запазването на аромата, дали биха могли да го направят и другите частици?
Физиците се надяват да отговорят на този точен въпрос с Mu2e, експеримент, който трябва да започне да генерира данни през следващите няколко години в Националната ускорителна лаборатория "Ферми" (Fermilab) на Министерството на енергетиката на САЩ.
Mu2e ще търси мюони, преобразуващи се в електрони, без да отделят други частици, процес, който очевидно нарушава запазването на аромата.
Но защо трябва да се използват мюони? Това е така, защото те са точно дясната среда на семейството на лептоните. Не твърде големи или прекалено малки, мюоните са напълно подходящи в търсенето на нова физика.
Електроните, най-малко масивните заредени лептони, са малки и стабилни. Таоните, най-масивните, са толкова масивни и краткотрайни, че се разлагат твърде бързо, за да могат физиците да ги изучат ефективно. Мюоните обаче са достатъчно масивни, за да се разпадат, но не са достатъчно масивни, за да се разпадат твърде бързо, което ги прави идеалният инструмент в търсенето на нова физика.
В експеримента Mu2e физиците ще ускорят лъч от нискоенергийни мюони към цел, направена от алуминий. При получените сблъсъци мюоните ще избият електрони от орбитите около алуминиевите ядра и ще заемат мястото им, създавайки мюонови атоми за кратък момент във времето.
„Тъй като масата на мюона е 200 пъти по-голяма от масата на електрона и средното разстояние на мюоните от ядрото е 200 пъти по-малко, ще има припокриване между позицията на мюона и позицията на алуминиевото ядро, което ще им позволява да взаимодействат", разказва Милър.
Докато мюонът се разпада в електрон, физиците прогнозират, че допълнителната енергия, която обикновено преминава в създаване на две частици неутрино при типично разпадане на мюон, вместо това ще бъде прехвърлена в ядрото на атома. Това би позволило превръщането от един аромат в друг, мюон в електрон, без неутрино или антинейтрино, които да осигурят баланса. Ако се наблюдава, този директен преход на мюон в електрон би дал надежда за откриване на нарушение на запазването на аромата сред заредените лептони.
Магнитният диполен момент, който нарушава теорията
Mu2e не е единственият експеримент, който ще използва мюони, за да тества нашето разбиране на физиката.
Осем години преди откриването на мюоните физикът Пол Дирак разработва теория за описание на движението на електроните. В едно, елегантно уравнение, Дирак успешно описва това движение - като едновременно слива Специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн с квантовата механика и предсказва съществуването на антиматерията.
Трудно е да се оцени колко важно и невероятно точно се оказва уравнението на Дирак.
За да разберем защо е важно, да разгледаме електрона.
Уравнението на Дирак правилно описва как работи електромагнитната сила и дава правилната оценка за това как ще се измества спинът на електрона - или „прецесира“ - ако се постави в магнитно поле. Мюонът, подобно на по-лекия си брат - електрона, действа като въртящ се магнит. Параметърът, известен като "g-фактор" показва колко силен е магнитът и скоростта на неговото въртене.
Когато мюоните са открити през 1936 г., уравнението на Дирак е използвано за изчисляване на каква ще бъде и тяхната прецесионна скорост или магнитен диполен момент. Тогава се е предполагало, че стойността g за мюоните е равна на 2.
Но когато физиците започват да генерират мюони в ускорители в ЦЕРН през 50-те години, за да тестват прогнозите на Дирак, резултатите не са съвсем точно такива, каквито са очаквали. Стойността на g е малко по-голяма от 2.
Тази разлика от 2 ("аномалната" част) е причинена от приносите от по-висок ред от квантовата теория на полето. Измервайки g- 2 с висока точност и сравнявайки стойността му с теоретичната прогноза, физиците разбират дали експериментът се съгласува с теорията. Всяко отклонение би посочило все още неоткрити субатомни частици
Магнитът на пръстена за Fermilab за експеримента g-2, който първоначално е предназначен за лабораторията Брукхейвън. Геометрията позволява да се установи много равномерно магнитно поле в пръстена. Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
Въпреки че физиците работят усилено през следващите 20 години, те не успяват да генерират достатъчно енергия със своите ускорители, за да получат категоричен отговор.
Учените от Националната лаборатория в Брукхейвън успяват да изпробват прогнозата на Дирак при по-високи енергии между 1999 и 2001 г. с експеримент, предназначен за директно определяне на аномалната част на магнитния момент, наречен Muon g-2 (произнася се „джи минус две“). Те откриват намеци за същото аномално измерване, но дори и при подобрената си технология им липсва достатъчно точност, за да докажат разминаване с теорията.
Може ли уравнението на Дирак да се окаже грешно? Физиците смятат, че е възможно техните открития за мюоните всъщност да намекват за по-дълбока структура във физиката, която тепърва предстои да бъде открита и че изучаването на мюоните може отново да доведе до нови открития.
"Факторът g-2 е измерен за други частици", разказва физикът от Fermilab Тами Уолтън (Tammy Walton). „Много точно е измерен за електрона. Измерва се и за композитни частици, като протона и неутрона. Но голямата маса на мюоните ги прави по-чувствителни към новата физика".
Неотдавна Fermilab започна експеримента на Muon g-2 от следващото поколение, който физиците се надяват, че заедно с J-PARC в Япония недвусмислено ще потвърдят дали теорията отговаря на природата или не.
„Надяваме се да получим 20 пъти повече от мюоните, което ще ни доведе до четирикратно намаляване на статистическата несигурност“, коментира Ерик Суонсън (Erik Swanson), научен инженер от Университета във Вашингтон. „Ако нашата централна стойност остане същата като тази, генерирана в Брукхейвен, тогава ще потвърдим без съмнение разминаването между теорията и наблюдението. В противен случай може просто да се окаже, че теорията е била правилна през цялото време".
Ако теорията бъде нарушена, физиците ще имат много работа да обясняват, което би могло да ги доведе до ново разбиране за частиците и силите, които изграждат нашата Вселена и силите, които ги управляват. Не е лошо за частица, която никой не е очаквал да я има.
Източник: The stories a muon could tell, Symmetry magazine
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари