ამ თვის დასაწყისში, Fermilab-ის ექსპერიმენტის ფარგლებში, რომელშიც 200 მეცნიერი მონაწილეობდა, აღმოაჩინეს, რომ ელემენტარული ნაწილაკი — მიუონი ოდნავ განსხვავებულად იქცეოდა მძლავრ გარე მაგნიტურ ველში, ვიდრე ეს სტანდარტული მოდელით იყო ნაწინასწარმეტყველები. ამ სხვაობას კი მეცნიერებმა ის ახსნა მოუძებნეს, რომ სამყაროში უნდა არსებობდეს კიდევ ერთი (მეხუთე) ფუნდამენტური სუბატომური ძალა, რომელიც ჯერჯერობით უცნობია ჩვენთვის.

მომდევნო დღეს, პენსილვანიის უნივერსიტეტის ფიზიკოსთა ჯგუფმა საპასუხო მოხსენება გამოაქვეყნა, რომელშიც მკვლევრები წერდნენ, რომ მაღალი სიზუსტით დათვალეს კვანტური კორექციები და მათი შედეგით, Fermilab-ის ექსპერიმენტსა და სტანდარტულ მოდელს შორის არც ისე დიდი სხვაობა აღმოჩნდა.

ამ თემაზე ნიუ-იორკის ბაფალოს უნივერსიტეტში მოღვაწე ქართველ ფიზიკოსს, პროფესორ ავთო ხარჩილავას ვესაუბრეთ, თუმცა, სანამ მთავარ საკითხზე გადავიდოდეთ, რამდენიმე მნიშვნელოვანი რამ უნდა განვმარტოთ.

რა არის მიუონი

"მიუონი, ელექტრონის მსგავსად, ელემენტარული ნაწილაკია, რომელიც ამ უკანასკნელზე ბევრად მასიურია და მისგან განსხვავებით, არასტაბილურია, რაც იმას ნიშნავს რომ მალევე, სულ რამდენიმე მიკროწამში იშლება სხვა ნაწილაკებად. მიუონი არის დამუხტული ნაწილაკი, და გააჩნია მაგნიტური ველი, ე.წ. მაგნიტური მომენტი", — ამბობს ავთო ხარჩილავა.

კვანტური განუზღვრელობის მიხედვით, სხვადასხვა ნაწილაკები და ანტინაწილაკები — საკმაოდ მძიმეებიც კი — მუდმივად ჩნდებიან და ქრებიან მიუონის გარშემო. ამ ვირტუალური ნაწილაკების პირდაპირ დაკვირვება შეუძლებელია, თუმცა ისინი მიუონის თვისებებზე ახდენენ გავლენას. ასეთი ნაწილაკების გაჩენა რეალურადაცაა შესაძლებელი, მაგალითად, ცერნის დიდ ადრონულ კოლაიდერზე (LHC) მაღალენერგეტიკული პროტონების შეჯახების შედეგად.

ვირტუალური ნაწილაკი კვანტური ფლუქტუაციების შედეგია. მისი არსებობა განუზღვრელობის პრინციპითაა შეზღუდული, თუმცა რეალური ნაწილაკის თვისებები ახასიათებს.

ვირტუალური ნაწილაკების ეფექტის გამო, კვანტურ ფიზიკაში საჭირო გახდა შესწორებების შემოტანა, რომლებიც სტანდარტულ მოდელს ექსპერიმენტებს შეუსაბამებდა. თუმცა, კორექციების თეორიულ დათვლებს ზოგჯერ გარკვეული სირთულეები ახლავს თან და მათი სიზუსტე, გარკვეულწილად, კვანტური განუზღვრელობის გამო, შეზღუდულია. მეცნიერთა ნაწილი ფიქრობს, რომ Fermilab-ის ექსპერიმენტულ შედეგთან შეუსაბამობა სწორედ ამ თეორიული სიზუსტის შეზღუდულობას უკავშირდება.

ფუნდამენტური ძალები და ელემენტარული ნაწილაკები

"როგორც ვიცით, ბუნებაში არსებობს ოთხი ფუნდამენტური ძალა: ძლიერი, სუსტი, ელექტრომაგნიტური და გრავიტაციული. სუსტი და ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედების კორექციები ძალიან მაღალი სიზუსტითაა დათვლილი. გრავიტაციული ურთიერთქმედება იმდენად სუსტია, რომ ამ შემთხვევაში, მას საერთოდ უგულებელყოფენ. რაც შეეხება ძლიერ ურთიერთქმედებას, რომელიც, მაგალითად, ატომბირთივს სტაბილურობას უზრუნველყოფს, ელექტრომაგნიტურთან და სუსტთან შედარებით, ბევრად ნაკლები სიზუსტითაა დათვლილი", — გვიყვება ავთო ხარჩილავა.

სტანდარტული მოდელის მიხედვით, სამყარო აგებულია კვარკებისგან, ლეპტონებისგან (მაგ: ელექტრონი, მიუონი) და მათი კომბინაციებისგან. თეორიის სიზუსტის განსაზღვრისთვის საჭიროა ამ ნაწილაკების განხილვა ვირტუალურ კორექციაში. იმ შემთხვევაში, თუ ექსპერიმენტის შედეგი არ ემთხვევა თეორიას, ეს მხოლოდ ორ რამეზე მიანიშნებს — ან არსებობს კიდევ ერთი აღმოუჩენელი ნაწილაკი (ან ნაწილაკები), რომელიც გარემოსთან სუსტად, ძლიერად ან ელექტრომაგნიტურად ურთიერთქმედებს, ან საერთოდ ახალი სუბატომური ძალა არსებობს ბუნებაში, რომლის შესახებაც აქამდე არაფერი ვიცოდით.

"ცერნის დიდ ადრონულ კოლაიდერზე უამრავი ექსპერიმენტები ტარდება, რომელთა საშუალებით არამხოლოდ ვირტუალური, არამედ რეალური ეფექტებიც იზომება, რადგან აქ საკმარისი ენერგიაა იმისთვის, რომ ნაწილაკები რელაურად დავბადოთ ექსპერიმენტის ფარგლებში. სწორედ ასე აღმოაჩინეს 1995 წელს Fermilab-ში ტოპ კვარკი (არსებობს ექვსი ტიპის კვარკი, მათ შორის ერთ-ერთია სწორედ ტოპ კვარკი). თუ აღმოსაჩენი ნაწილაკი ძალიან მძიმეა, მაშინ, ნაწილაკების დაჯახების ენერგიის გაზრდით, არსებობს შანსი, რომ დავბადოთ არა ვირტუალური, არამედ შესაბამისი რეალური ნაწილაკები და პირდაპირ დავაკვირდეთ მათ თვისებებს", — ამბობს ავთო ხარჩილავა.

თუმცა, არსებობს შემთხვევები, როდესაც ანალოგიურად დაითვალეს მეცნიერებმა ვირტუალური კორექციები და მათ საფუძველზე იწინასწარმეტყველეს ნაწილაკების არსებობა, რომლებიც ათობით წლების შემდეგ მართლაც აღმოაჩინეს. ასეთი ნაწილაკები იყო ტოპ კვარკი, ჰიგსის ბოზონი და ა.შ.

"აქედან გამომდინარე, სტანდარტული მოდელი იმდენად სრულყოფილია, რომ იგი არამხოლოდ აღწერს სამყაროს ჩვენ გარშემო, არამედ წინასწარმეტყველების უნარიც აქვს. სწორედ ამიტომ ვენდობით ასე ამ მოდელს", — გვიყვება ავთო ხარჩილავა.

Fermilab-ის ექსპერიმენტი

"იმისთვის, რომ მიუონის მაგნიტური მომენტი გაიზომოს, ნაწილაკს გარე მაგნიტურ ველში ათავსებენ და აკვირდებიან მისი პრეცესიის სიხშირეს. მიუონი არასტაბილური ნაწილაკია — იგი პოზიტრონად (ელექტრონის ანტინაწილაკი) და ორ ნეიტრინოდ იშლება. ნეიტრინო ნეიტრალური ნაწილაკია და ძალიან სუსტად ურთიერთქმედებს გარემოსთან. სამაგიეროდ, ექსპერიმენტი პოზიტრონის მაღალი სიზუსტით გაზომვის საშუალებას იძლევა, რაც მეცნიერებს საჭირო ინფორმაციის მოპოვებაში ეხმარება", — გვიყვება ავთო ხარჩილავა.

ექსპერიმენტის საფუძველზე აღმოჩნდა, რომ მიუონი მილიარდიდან დაახლოებით 2.5 ნაწილით უფრო მაგნიტურია, ვიდრე ამას სტანდარტული მოდელი წინასწარმეტყველებდა. ეს პროგნოზი ეფუძნებოდა მეცნიერების მიერ გაკეთებულ უამრავ დათვლებს იმის შესახებ, თუ რა გავლენას ახდენენ ვირტუალური ნაწილაკები მიუონის ქცევაზე.

აქედან გამომდინარე, Fermilab-ის მკვლევრები ფიქრობენ, რომ აღნიშნული შეუსაბამობა უკავშირდება სამყაროს მეხუთე, სუბატომურ ძალას, პენსილვანიის მეცნიერების კვლევის ფარგლებში კი სტანდარტულ მოდელთან შეუსაბამობა არ გამოვლინდა. შესაბამისად, ამ ეტაპზე, დაზუსტებით არაფრის თქმა შეიძლება და ყველაფრის გასარკვევად დამატებითი კვლევებს შედეგებს უნდა დაველოდოთ.

როგორ იზომება მიუონის მაგნიტური მომენტი

ნებისმიერ ნაწილაკს აქვს ორი სახის მომენტი: ორბიტალური მომენტი და საკუთარი მომენტი, ანუ სპინი. ორბიტალური მომენტი ნაწილაკის ბრუნვის ღერძის გარშემო მექანიკური მოძრაობით არის განპირობებული. სპინი კი სივრცეში მოძრაობასთან არ არის დაკავშირებული — იგი ნაწილაკის შინაგანი კვანტური მახასიათებელია.

მიუხედავად იმისა, რომ სპინი ნაწილაკის ბრუნვასთან არაა დაკავშირებული, იგი მაინც ქმნის მაგნიტურ მომენტს, რაც იწვევს ნაწილაკის ურთიერთქმედებას მაგნიტურ ველთან. თუ ამ ნაწილაკს გარე მაგნიტურ ველში მოვათავსებთ, მაშინ მისი სპინი იწყებს პრეცესიას — სპინის მიმართულება სივრცეში კუთხეს იცვლის. მიუონის მაგნიტური ველის სიძლიერე დაკავშირებულია მისი პრეცესიის სიხშირესთან, რომლის გაზომვა თანამედროვე ექსპერიმენტებით მემილიონედი სიზუსტითაა შესაძლებელი.

"კვანტურ ფიზიკაში არსებობს დირაკის ტალღური განტოლება, რომლიდანაც გამომდინარეობს, რომ g ფაქტორი (უგანზომილებო სიდიდე, რომელიც ახასიათებს ნაწილაკის მაგნიტურ მომენტს) არის ზუსტად 2-ის ტოლი. თუმცა, კვანტური ველის თეორიაში, ვირტუალური ნაწილაკების ეფექტისა და კვანტური შესწორებების გამო, საჭიროა ამ ფაქტორის მოდიფიცირება", — ამბობს ავთო ხარჩილავა.

იმისთვის, რომ მიუონის მაგნიტური ველის სიმძლავრე გაიზომოს, ნაწილაკს გარე მაგნიტურ ველში ათავსებენ და აკვირდებიან მისი პრეცესიის სიხშირეს. იმ შემთხვევაში, თუ ექსპერიმენტის შედეგის მიხედვით, g ფაქტორი ზუსტად 2-ს უდრის, მაშინ მიუონის ბრუნვის ღერძი არ იქნება გადახრილი (გადახრის კუთხე ნულის ტოლი იქნება). თუ g ფაქტორი არ უდრის 2-ს, ესე იგი, მიუონი პრეცესიას განიცდის — მისი ბრუნვის ღერძი გადახრილია გარკვეული კუთხით და შესაბამისად, ნაწილაკს აქვს კუთხური მომენტი. პრეცესიის სიხშირის დათვლით კი მეცნიერები ზუსტად იგებენ, თუ რას უდრის ამ შემთხვევაში g ფაქტორი.

"მიუონის შემთხვევაში მეცნიერები ამ ნაწილაკის პრეცესიის სიხშირეს ძალიან დიდი სიზუსტით ზომავენ. გაზომვის სიზუსტე ოთხ ფაქტორთანაა დაკავშირებული: ამისთვის, პირველ რიგში, მიუონი უნდა იყოს პოლარიზებული, ანუ მეცნიერებმა უნდა იცოდნენ მისი სპინის მიმართულება. მეორე — სპინის პრეცესია პროპორციულია g ფაქტორის. მესამე — თუ ნაწილაკის ენერგია დაახლოებით 3.09 გიგაელექტრონვოლტის ტოლია, მაშინ g ფაქტორის დასათვლელი ფორმულა ძალიან მარტივდება, რაც საგრძნობლად ზრდის გაზომვის სიზუსტეს. მეოთხე ფაქტორი კი ისაა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ მიუონი არასტაბილურია, მეცნიერებმა მისი ათობით პრეცესიის გაზომვა მოახერხეს. რაც უფრო მეტ ოსცილაციას გაზომავენ, მით უფრო ზუსტად დაითვლიან g ფაქტორს", — ამბობს ავთო ხარჩილავა.

აქვე, როდესაც ნაწილაკი მაღალი სიჩქარით მოძრაობს, მისი სიცოცხლის ხანგრძლივობა იზრდება. ეს გამომდინარეობს აინშტაინის ფარდობითობის თეორიიდან, რაც იმას ნიშნავს, რომ სინათლის სიჩქარესთან მიახლოებული სიჩქარით მოძრავი ნაწილაკი უფრო დიდხანს ცოცხლობს, ვიდრე იგივე ნაწილაკი უძრავ მდგომარეობაში.

"ექსპერიმენტზე იზომება მიუონის დაშლის პროდუქტის, პოზიტრონის ენერგია. Fermilab-ში სწორედ პოზიტრონის ენერგიას ზომავდნენ", — გვიყვება ავთო ხარჩილავა.

დაშლის პროდუქტის, პოზიტრონის ენერგია დამოკიდებულია მიუონის სპინის მიმართულებაზე — ლაბორატორიულ სისტემაში მოძრაობის მიმართულებით გამოტყორცნილი ნაწილაკები უფრო სწრაფად მოძრაობენ და, ამიტომ, უფრო მაღალი ენერგია აქვთ, ვიდრე საპირისპირო მიმართულებით გამოტყორცნილ ნაწილაკებს. სწორედ ეს განსხვავებები იზომება მიუონის სპინის პრეცესიაში.