KATEGORIJE

Prvi rezultati međunarodnog Muon g-2 eksperimenta na kojem su sudjelovali i riječki fizičari upućuju na uzbudljivu novu fiziku

07.04.2021. / vijesti / o sveučilištu

Prvi rezultati velikog međunarodnog Muon g-2 eksperimenta u američkom laboratoriju Fermilab koji su danas objavljeni dočekani su s velikim zanimanjem u svijetu znanosti jer dovode u pitanje dio postavki jedne od temeljnih teorija u fizici  – tzv. Standardnog modela fizike čestica i daju naznake o postojanju još neotkrivenih čestica ili sila. 
Intrigantnim rezultatima doprinos su dali i znanstvenici 
Odjela za fiziku Sveučilišta u Rijeci dr. sc. Marin Karuza i Vedran Vujnović.

Objavljeni rezultati pokazuju da se mioni (eng. muon), vrsta fundamentalnih čestica, ponašaju na način koji nije predviđen Standardnim modelom fizike čestica, potvrđujući već ranije zabilježeni nesklad između uvriježene teorije i ranijih eksperimentalnih mjerenja koji već dvadesetak godina muči istraživače. 
Novi rezultati potvrđuju one koje je dobio prethodni eksperiment izvođen prije dva desetljeća u američkom laboratoriju Brookhaven. Ova dva seta rezultata u kombinaciji predstavljaju snažan dokaz da je najbolji teorijski model o svijetu elementarnih čestica nekompletan i upućuju na uzbudljivu novu fiziku. Jedno od mogućih objašnjenja je postojanje još neotkrivenih čestica ili sila, zaključak je kolaboracije naveden u službenom priopćenju iz Fermilaba.  

Veliki međunarodni projekt Muon g-2, pokrenut još 2012. godine upravo s ciljem rješavanja ove zagonetke, provodi se u američkom laboratoriju Fermilab na velikom ubrzivaču čestica, a u njemu u sklopu velike znanstvene kolaboracije sudjeluje skoro 200 znanstvenika iz sedam zemalja i s 35 institucija. 
Znanstvenici Odjela za fiziku UNIRI u projekt su uključeni na temelju prethodne suradnje Marina Karuze s talijanskim Nacionalnim institutom za nuklearnu fiziku (INFN) – institucijom koja je ujedno i službeni član Muon g-2 kolaboracije. Riječki su znanstvenici zajedno s kolegama iz Italije radili na alternativnim rješenjima jednog od sustava ključnih za funkcioniranje eksperimenta.

Smisao i provođenje eksperimenta

Mion je čestica čija je masa 200 puta veća od njegovog “rođaka” elektrona. Mioni imaju ulogu svojevrsnog prozora u svijet elementarnih čestica i potencijalno mogu biti u interakciji s još neotkrivenim česticama ili silama. Mioni se prirodnim putem pojavljuju kada se kozmičke zrake sudare sa Zemljinom atmosferom, no veliki ubrzivači čestica poput onog u Fermilabu mogu ih proizvesti u velikom broju. Kao i elektroni, i mioni se ponašaju kao da imaju mali unutarnji magnet. U jakom magnetskom polju, polovi ovog magneta mijenjaju smjer poput, primjerice, rotirajućeg žiroskopa. Snaga malog unutarnjeg magneta određuje brzinu kojom se mion rotira u vanjskom magnetskom polju i opisana je brojem koji fizičari zovu g-faktor. Ovaj broj može biti izračunat s iznimno visokom preciznošću. 
U eksperimentu mioni dolaze u interakciju s kvantnim vakuumom, odnosno elementarnim česticama koje se pojavljuju i nestaju. Interakcije s ovim kratkoživućim česticama utječu na vrijednost g-faktora, uzrokujući promjene u brzini rotacije miona. Standardni model predviđa ovu anomaliju iznimno precizno. Postojanje sila ili čestica koje nisu predviđene Standardnim modelom utjecale bi na njezinu vrijednost, što bi bilo i jedno od mogućih objašnjenja neslaganja teorijskih predviđanja i izmjerenih vrijednosti. 

 “Ova veličina koju mjerimo u našem eksperimentu odražava interakcije miona sa svim ostalim česticama i silama u svemiru. No kad teoretičari izračunaju tu istu veličinu, koristeći sve poznate sile i čestice predviđene Standardnim modelom, ne dobijemo isti rezultat“ kazala je Renee Fatemi, fizičarka na Sveučilištu u Kentuckyju i menadžerica simulacija na Muon g-2 eksperimentu. “To je snažan dokaz da je mion osjetljiv na nešto što ne postoji u dosad najboljoj teoriji“. 

Eksperiment koji se izvodi u Fermilabu koristi glavnu komponentu iz poznatog Brookhaven eksperimenta – supravodljivi prsten s magnetskim poljem veličine 15 metara u dijametru. Taj je prsten 2013. godine spektakularno dopremljen iz New Yorka u više od 5 tisuća kilometara udaljeni Chicago gdje se Fermilab nalazi, što je podrazumijevalo kompleksni transport preko kopna i mora. U iduće četiri godine znanstvenici su potom prilagodili i kalibrirali magnetsko polje, razvili nove tehnike, instrumente i simulacije te pažljivo testirali cijeli sustav.    
Muon g-2 eksperiment funkcionira tako da šalje snopove miona u prsten za pohranu gdje u magnetskom polju kruže brzinom bliskoj brzini svjetlosti. Detektori postavljeni u prstenu omogućavaju znanstvenicima da bilježe koliko brzo se mioni okreću oko svoje osi.

Doprinos riječkih znanstvenika

Riječki znanstvenici svoj su doprinos dali ponajviše kroz ekspertizu iz područja optike i preciznih mjerenja.

Svaka institucija unutar kolaboracije je bila zadužena za jedan dio eksperimenta. Tako je INFN čiji sam član bio zadužen za sustav za kalibraciju što je predstavljalo veliki izazov“, pojasnio je Marin Karuza, pročelnik Odjela za fiziku Sveučilišta u Rijeci. „Pojednostavljeno, problem koji je trebalo riješiti je bio kako do 1296 detektora u prstenu dovesti svjetlost na način da svaki dobije jednaku količinu svjetlosti te da se njen intenzitet ne mijenja u vremenu“. 

Rješenje grupe u čijem su radu sudjelovali Marin Karuza i Vedran Vujnović je bilo da se umjesto velikog broja optičkih vlakana koristi niz polupropusnih zrcala koja bi trebala stajati ispred detektora. 

Naš koncept je bio inovativan u ekonomskom smislu – umjesto uobičajene upotrebe vrlo jakog lasera, zahtijevao je jeftiniju opremu i nudio je veću sigurnost. Na kraju taj inovativni koncept ipak nije korišten u eksperimentu, no tehnička rješenja koja smo primjenjivali, te znanje stečeno u mjerenjima u Laboratoriju za nelinearnu i kvantnu optiku NANORI i OFRI Sveučilišta u Rijeci su poslije primijenjeni u sustavu za kalibraciju koji je korišten na eksperimentu.“, kazao je Karuza.

Vedran Vujnović je napravio diplomski rad na tu temu, a inovativni koncept je objavljen i u znanstvenom članku https://www.bib.irb.hr/1094087

Marin Karuza ističe da se sudjelovanjem u ovakvim međunarodnim projektima stječu nova znanja i vještine koja se onda „donose“ na Sveučilište u Rijeci. 

„Otvaraju se mogućnosti izrade diplomskih ili doktorskih radova za studente. Mi imamo odlične uvjete na Sveučilistu u Rijeci što se tiče opremljenosti laboratorija i računalnih resursa te motivirane i kvalitetne studente koji mogu ravnopravno sudjelovati u radu međunarodnih kolaboracija.“, kazao je Karuza o sudjelovanju na projektu.

Prikupljeni podaci i buduće analize

U prvoj godini funkcioniranja sustava, 2018. godine, kolaboracija je prikupila više podataka nego svi slični eksperimenti zajedno. Upravo objavljeni rezultati plod su analize kretanja više od 9 milijardi miona. 

“Dosad smo analizirali manje od 6 posto podataka koje će eksperiment sveukupno prikupiti. Iako ovi prvi rezultati govore da postoji intrigantna razlika od Standardnog modela, saznat ćemo puno više u idućih par godina“, kazao je Fermilabov znanstvenik Chris Polly, jedan od glasnogovornika projekta.  Kombinirani rezultati iz eksperimenata u Fermilabu i Brookhavenu imaju značajnost od 4.2 sigma, što je tek nešto manje od 5 sigma koliko je uobičajeno da bi se nešto smatralo otkrićem, no svejedno se mogu smatrati znakom postojanja nove fizike, zaključak je kolaboracije.  

Otkrivanje suptilnog ponašanja miona je značajno postignuće koje će navoditi potragu za fizikom izvan Standardnog modela u godinama koje dolaze. Ovo je uzbudljivo vrijeme za istraživanja u fizici elementarnih čestica“, smatra direktor Fermilaba Nigel Lockyer. 

Više informacija o projektu dostupno je na Muon g-2 stranici
Više o Fermilabu: http://www.fnal.gov

Skip to content
Pitaj me!
Virtualna sova URI