A cincea forta fundamentala din Univers

Majoritatea fenomenelor care apar in natura ar putea fi explicate pe baza a doar patru forte fundamentale: forta gravitationala, forta nucleara slaba, forta electromagnetica si forta nucleara tare.

Desi aceste interactiuni fundamentale explica majoritatea evenimentelor fizice din universul nostru, exista unele fenomene care nu au putut fi explicate pe baza acestor forte cunoscute, determinandu-i astfel pe fizicieni sa se gandeasca daca ar putea exista forte suplimentare in joc.

Unele dintre principalele motive pentru care cautarea celei de-a cincea forte fundamentale a fost propulsata in ultima vreme sunt masa intunecata si agentul care provoaca expansiunea accelerata a universului, si anume energia intunecata.

Chintesenta, o forma de energie intunecata, a fost speculata a fi un candidat bun pentru a cincea forta din univers.

Un alt candidat pentru forta a cincea care a devenit faimoasa in anii ‘80 a rezultat dintr-o reanaliza a experimentului Eötvös. Drept urmare, cercetatorii din intreaga lume l-au explorat ca pe un model plauzibil.

Au aparut diverse alte modele teoretice, propunand candidati pentru a cincea forta. Aceste modele se inspira adesea din idei care se extind dincolo de modelul standard al fizicii particulelor.

Unele teorii, cum ar fi modelul Georgi-Glashow, sugereaza existenta unor particule numite bosoni X care mediaza aceasta a cincea forta.

Aceste particule ipotetice ar putea interactiona diferit fata de particulele responsabile pentru celelalte forte fundamentale, ceea ce duce la semnaturi unice in experimentele cu acceleratorul de particule si in observatiile cosmologice.

In ciuda multor propuneri, a existat o lipsa de dovezi pentru natura celei de-a cincea forte si interactiunile ei, desi stacheta a fost deja ridicata.

Experimente recente merg spre a cincea forta din univers

Rezultatele empirice recente de la Fermilab din Chicago au starnit din nou interes in randul comunitatii fizicii, care ar putea duce la realizarea celei de-a cincea forte fundamentale.

Oamenii de stiinta de la Fermilab intr-o cercetare numita “experimentul muon g-2” au descoperit ca muonii se comporta intr-un mod care nu poate fi explicat in cadrul modelului standard al fizicii particulelor.

Miscarea lor dinamica a fost detectata a fi mai rapida decat cea prezisa de modelul standard, care i-a determinat pe experti sa creada interventia unei forte noi care ar putea cauza acest lucru.

Rezultatul actual sustine, in esenta, rezultatele din 2021, cand au fost dezvaluite caracteristici uimitoare despre momentul magnetic al muonilor, care aduceau, de asemenea, dovezi concludente ale unor noi particule si/sau forte care in prezent lipsesc in modelul standard.

In mod individual, fiecare muon actioneaza ca o bara magnetica in miniatura atunci cand este supus unui camp magnetic – acest fenomen este denumit momentul sau magnetic.

In plus, muonii poseda o calitate inerenta cunoscuta sub numele de spin, rotatie. Interactiunea dintre rotatie si momentul magnetic al unui muon este identificata ca factorul g.

Se anticipeaza ca factorul g atat pentru electron, cat si pentru muon va fi doi. Astfel, devine crucial sa se constate daca abaterea de la aceasta asteptare, notata cu g-2, se inregistreaza la zero atunci cand este masurata.

Motivul pentru care 2 este scazut din valoarea initiala a factorului g este de a intelege contributia “spumei” cuantice, conceptul conform caruia spatiul este umplut cu particule si nu este cu adevarat gol.

Rezultatele muon g-2: noi particule si o noua forta fundamentala

Revenind la partea fizica a modului in care rezultatul deschide posibilitatea unei noi forte, sa luam in considerare studiul experimental intreprins la Fermilab.

Muonilor care au in esenta de 200 de ori masa electronului li se permite sa interactioneze cu un camp magnetic de putere de 1,45 Tesla. Drept rezultat, muonii vibreaza in mod analog cu un titirez care se roteste si rata acestei vibratii este proportionala cu puterea campului magnetic.

Instalatia experimentala produce nenumarati muoni care sunt stocati intr-un magnet circular numit inel de stocare care are un diametru de 14 metri. Acest inel contine detectoare in interiorul sau care numara electronii formati din cauza dezintegrarii muonilor.

Un fapt interesant de remarcat aici este ca numararea electronilor este corelata cu rata vibratiilor muonilor, astfel incat cu cat sunt detectati mai multi electroni, cu atat este mai mare precizia in masurare.

Fizicianul Paul Dirac a prezis ca valoarea factorului g al muonului este egala cu 2. Cu toate acestea, conform considerentelor mecanice cuantice, exista o contributie netriviala la factorul g datorita particulelor virtuale.

Scopul experimentului muon g-2 este de a studia diferenta dintre factorul g initial si valoarea prezisa care este 2. Acum, in cazul in care modelului standard ii lipseste forte/particule noi, ar corespunde unei situatii in care rata ar fi fie mai mare, fie mai mica decat numarul prezis, dar cu o marja mica.

Diverse alte grupuri de cercetare s-au alaturat acestei vanatori, in special echipa de la Large Hadron Collider (LHC) al CERN. Unul dintre membrii echipei, fizicianul Mitesh Patel, a afirmat ca rezultatele care nu sunt de acord cu modelul standard sunt foarte importante.

„Masurarea comportamentului care nu este de acord cu predictiile Modelului Standard este Sfantul Graal pentru fizica particulelor. Ar trage pistolul de declansare a unei adevarate revolutii in intelegerea noastra, deoarece modelul a rezistat tuturor testelor experimentale de mai bine de 50 de ani.”

Discrepanta actuala intre predictia teoretica si rezultatul empiric ar putea insemna ca exista noi particule nedescoperite in univers si aceste particule ar media o noua forta a naturii.

Descoperirea unei a cincea forte ar fi revolutionara in atatea privinte. Ar deschide o dimensiune cu totul noua a fizicii pentru ca cercetatorii sa o exploreze, atat in teorie, cat si in practica.

Alternative viitoare la modelul standard

Modelul standard al fizicii particulelor a fost o teorie de succes si a adaugat in mod remarcabil cunostintele noastre despre lumea fizica.

Cu toate acestea, cercetarile au aratat ca aceasta teorie este limitata, daca nu gresita. Fizicienii, in cautarea a ceea ce se afla dincolo de modelul standard, au produs diverse teorii si modele noi, cum ar fi MSSM si nMSSM, care se bazeaza in esenta pe ideea de supersimetrie.

Dar stim ca si supersimetria este o idee esuata in masura in care nu a dat niciun rezultat testat empiric. Din cauza lipsei de dovezi empirice concludente, diferite grupuri din intreaga lume incearca sa vina cu cadre noi care ar putea face dreptate acestei urmariri.

Modelul holografic generalizat este o noua teorie care a avut succes in a produce rezultate mai bune decat modelul standard.

De exemplu, modelul a furnizat o estimare a razei de incarcare a protonului, a carei valoare a modelului standard era in dezacord cu 4%.

Acest model a contribuit, de asemenea, foarte mult la intelegerea particulelor subatomice, a gaurilor negre, a catastrofei in vid, pentru a numi doar cateva.

Ultimele masuratori de la Fermilab care au dus la cea mai precisa valoare a momentului magnetic al muonului sunt foarte importante pentru dezvoltarea ulterioara in fizica teoretica.

Deoarece acest rezultat expune lacunele din modelul actual, ar fi interesant sa vedem cum cadre si teorii noi explica acelasi lucru.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: phys.org, resonancescience.org, bbc.com, earth.com, popularmechanics.com.

Foto: Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.