Eesti teadlased loodavad lahendada kuuma füüsikamõistatuse ebaosakestega

$content['photos'][0]['caption'.lang::suffix($GLOBALS['category']['lang'])]?>
Fermilabis asuv Müüon g-2 katseseade. Autor/allikas: Fermilab

Möödunud nädalal ajas teadlased üle kogu maailma elevile katsetulemus, mis võib juhatada senitundmatute osakeste ja uute loodusjõudude jälile. Müüonite veidrat käitumist püüti seletada juba esimesel päeval vähemalt 35 teadustöös ja uudse nurga pakkusid välja ka Eesti teadlased.

"Kuna tegemist on 20 aastat vana tulemuse kinnitamisega, oli paraku enamik neist artiklitest vana supi ülessoojendamine või vanade arvutuste uues valguses välja pakkumine: supersümmeetria, uued Higgsi bosonid ja muud sellised asjad. Suurt üllatust polnud. Meie artiklid paistavad nende seas silma, sest leitud lahendused on täiesti teistsugused," sõnas Martti Raidal, osakestefüüsik ja KBFI juhtivteadur.

Killuke ajalugu
Füüsikud on olnud juba pikka aega omaenda edu ohvrid. Juba poole sajandi eest oma praeguse kuju võtnud standardmudel suudab üliedukalt ennustada, kuidas käituvad ja mõjutavad üksteist kõik seni avastatud aine- ja väljaosakesed. Samas teavad teadlased, et füüsika pole valmis. Standardmudel jääb hätta suurtel skaaladel toimuva selgitamisega, kus tuleb otsida abi relatiivsusteooriast. Samuti ei ütle see midagi universumit täitva tumeaine olemuse kohta. Nõnda on üritatud standardmudelit pikalt eri eksperimentidega katki teha.

Hiljuti USA-s Fermilabi avaldatud katsetulemuste põhjal võivad anda füüsikutele juhtlõnga kätte müüonid – elektronide raskemad kaksikvennad. Kirjeldatud katses pandi müüonid ringlema tugevas magnetväljas. Kuna müüonid käituvad argielust paremini tuttavate pulkmagnetitena, tahaks need joonduda neid ümbritseva magnetvälja jõujoonte järgi. Samas kannavad müüonid ka pöördemomenti, mistõttu hakkab see mõjutama hoopis osakese pöörlemisest tingitud magnetmomenti. Piltlikult hakkab müüon vurrina võbelema.

Müüoniringi läbimõõt ulatub 14 meetrini ning selle transportimiseks läks tarvis pargast ja võimast veoautot Autor/allikas: Fermilab

Sirgjoonelise arvutuse põhjal peaks olema müüonite sisemise magnetvälja tugevuse ja pöörlemismäära suhe ehk g täpselt 2. Katseliselt on aga juba varem leitud, et mõõdetud väärtus erineb sellest ligikaudu 0,1 protsendi võrra. Erinevuse selgitamiseks oli vaja arvestada kvantmaailma eripäradega.

Müüon võib kiirata footoneid ja need uuesti neelata, footonid muutuda vahepeal elektroni-positroni paariks ja annihileerudes uuesti neelatava footoni tekitada jne. Sarnaselt võivad mõjutada müüonit nõrka jõudu vahendavad W- ja Z-bosonid. Seitsmenda komakoha juures hakkavad endast kvantfluktuatsioonide läbi märku andma väiksemad osakesed. Kiiratavast virtuaalfootonist tekivad kvark-antikvark paarid, mis seejärel uuesti neelatavaks footoniks muunduvad. Kõigi taoliste protsesside panust saab välja arvutada standardmudeli abil.

Kui mõõdetu ennustatavaga sellegipoolest päris täpselt kokku ei lange, mõjutab müooneid veel miski. Kujundlikult saavad füüsikud supikatlas ujuva kartuli liikumise abil välja selgitada, ka supi läbipaistmatu pinna all leidub kruupe, porgandeid või hoopis midagi senitundmatut.

Pragu standardmudelis?
Ligi 20 aasta eest leitigi USA-s Brookhaveni laboratooriumis, et teada-tuntud osakestest jääb väheks. Mõõdetud väärtus erines ennustatust 0,0000000085 võrra. Avastuseks seda siiski pidada ei saanud. Osakestefüüsikas näeb kogutavate andmete hulga tõttu tihti argielu mõistes isegi väga haruldasi juhuse mängitavaid vingerpusse.

Värsked Fermilabi tulemused lisavad toonasele tähelepanekule kindlust. Vahe ennustatuga on 0,0000000050. Tõenäosus, et tegu on pelgalt statistilise kõrvalekaldega, küündib 1:40 000-ni.

Kuigi anomaaliat on näinud nüüd kaks eksperimenti, ei piisa veel sellestki leiu avastuseks pidamiseks. Ameeriklased pole Martti Raidali sõnul enda kiitmisega kitsid, mis võis viia ajakirjanduses kohati suurustavate pealkirjadeni."See 4,2 sigmat on saavutatud eelmise eksperimendi ja praeguse kombineerimisel. On kahtlane, kas kahe eksperimendi andmeid saab ikka niimoodi kokku panna. Sellega seonduv statistika on väga keeruline. Kõik nõustuvad aga, et kinnitati eelmisi tulemusi," sõnas juhtivteadur.

Appi tõttavad ebaosakesed
Sellegipoolest oli kõrvalekalle teadlaste jaoks piisavalt tähtis, et anomaaliale asusid otsima selgitust sajad teadlased üle kogu planeedi. Praeguseks on avaldatud ainuüksi võrguvaramus arXiv enam kui 60 (g–2 käsitlevat) teadustööd. Neist kahe taga on KBFI füüsikud eesotsas Martti Raidaliga. Võtmerolli mängivad nende välja pakutud hüpoteesis fakeon'id ehk ebaosakesed.

Võrreldes inimesi tavaliselt ümbritsevate osakestega on neil oluline eripära. "Kui meie koosneme aatomituumadest, mille ümber lendavad elektronid, mis on mõlemad olemas ja stabiilsed, siis ebaosake niimoodi eksisteerida ei saa. See saab olla vastastikmõju osake. Saame tekitada selle mingisuguses füüsikaprotsessis, kus ta on olemas, aga ta peab seejärel ära kaduma," selgitas Raidal. Kuigi konkreetne hüpotees on pakutud välja vaid müüonite jaoks, võib vahendada sama ebaosake ka teisi protsesse.

Uudselt käituvat osakest on tarvis seni kiirendites tehtud mõõtmiste tõttu. "G–2 tulemuse selgitamiseks on vaja kergeid osakesi, aga neid oleks pidanud kiirendites näha olema. Füüsikas on g–2 tulemuste ja otseste kiirendimõõtmiste vahel vastuolu ja see vajab seletamist. Pakume välja ebaosakesed, mida ei sa kiirendites luua, kuid mis vahendavad jõudusid. Teised peavad oma teooriates rohkem vingerdama, et leida parameetreid, kus nende teooriad saaksid olla kooskõlalised," märkis juhtivteadur.

Uus lootus
Teises artiklis kompab Martti Raidal kolleegidega võimalust, et müüoneid mõjutav osake võib olla mõni senitundmatu kõrgema spinniga osake. Ka neist oleks abi uue füüsika jälile jõudmiseks. Inimest ümbritsevat mateeriat saab kirjeldada spinniga +1/2 või -1/2, footonitel ja valgusosakestel võib olla see +1, 0 või -1. "Kui tahame seletada gravitatsiooni, ilmuvad paratamatult välja kõrgema spinniga osakesed," selgitas juhtivteadur. Neist esimesel võimalikul oleks see 3/2. Sellist aineosakest võib näha praegu vaid eksootilisemat sorti teooriates.

"Kõrgema spinniga osakestega on suur probleem, sest nendega seotud arvutused pole kooskõlalised. Eelmisel aastal pakkusime välja uue ja meie hinnangul kooskõlalise teooria, mis võimaldab arvutusi lihtsustada," sõnas Raidal. Võrreldes varasemaga on need automaatselt füüsikalised. G–2'ga seonduv on vaid üks näide uue lähenemisviisi pakutavatest võimalustest. Varem on uurinud KBFI töörühm selle abil muu hulgas, kas massiivne 3/2 spinniga fermion võib olla tumeaine ja kas seda saaks näha ka kiirendites.

Antud juhul leidsid teadlased, et 3/2 spinniga osake Fermilabis nähtule seletust ei paku. "Meie teooria ennustab, et selle panus vaadeldavasse on liiga väike ja meie seda seletada ei suuda," märkis juhtivteadur.

Raidal nägi siiski selle helgemat külge. "See tähendaks, et (massi)piire neil osakestel ei ole ja kiirendis saab neid luua. Kui piire ei ole, saab seda teistes eksperimentides väga lihtsalt avastada," selgitas vanemteadur. Kui piirid oleks peal, välistaks see näiteks nende Suure Tuumaosakeste Põrgutiga nägemise.

CERNI eesmärk on tagada Euroopa riikide koostöö tuumauuringute vallas ja selleks vajaliku tehnoloogia (sh infotehnoloogia) väljatöötamine. Autor/allikas: CERN

Kellel õigus on ja milline seletus paika peab, näitab aeg. Vahepeal on jõudnud väiksem ja teistest sõltumatu BMW teoreetikuterühm superarvutit kasutades juba välja arvutada, et kvantvahust välja hüppavad kvargid mõjutavad g–2 arvatust rohkem. Nende seletuse järgi pole anomaaliat olemas ja varasemad teoreetilised füüsikud on toetunud eri osakeste panuse arvutamisel liigselt eksperimentaalfüüsikute sisendile.

Fermilabi teadlased on jõudnud analüüsida seni vaid 2018. aastal kogutud andmeid. Järgnenud kahe aasta andmete kaasamine aitab välja selgitada, kas nähtud signaal on sedavõrd kindel, et nähtu saaks kuulutada avastuseks. Selleks peaks küündima võimalus, et tulemuse taga on puhas juhus, umbes 1: 1 000 000-st. Võrreldav võimalus on saada 21 korda kulli-kirja visates tulemuseks kull. Samuti plaanitakse rajada Jaapanisse J-PARC'i uus eksperiment, mis mõõdab g–2 hoopis teisel viisil.

Müüonid on viidanud viimastel aastatel uuele füüsikale ka teises eksperimendis. Suure Tuumaosakeste Põrguti LHCb-eksperimendis tekib rasket bottom-kvarki sisaldavad kvark-antikvark paaride lagunemisel oluliselt sagedamini elektrone kui müüoneid. Teooria põhjal peaks tekkima neid aga sama sageli.

Hea lugeja, näeme et kasutate vanemat brauseri versiooni või vähelevinud brauserit.

Parema ja terviklikuma kasutajakogemuse tagamiseks soovitame alla laadida uusim versioon mõnest meie toetatud brauserist: