Nisan başında fizik dünyasında ciddi bir gelişme yaşandı. Illinois Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı Fermilab’a bağlı araştırmacılar, müon adında bir atom altı parçacığın devinimlerinin fizikte mevcut paradigmanın dayandığı Standart Modeli ihlal ettiğini öne süren kanıtlar bulunduğunu ifade etti.
Müonlar elektronlara benzer ama onlardan 207 kat daha büyüktürler. Ayrıca nötrinolara ve elektronlara hızla ayrışma özelliğine de sahiptirler. Fermilab’da 46 fut büyüklüğünde bir manyetize halkaya gönderilen müonların öngörülemez biçimlerde devindikleri görüldü. 20. yüzyılda parçacıkların etkileşimini açıklayan temel kuram olan Standart Model uyarınca bu hareketlerin normal koşullar altında ölçülerek ayrıntılı bir biçimde öngörülebilmesi gerekiyordu. Bu deney, daha önce Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda aynı isimle gerçekleştirilen bir deneyin sonuçlarını doğruluyor. Bu iki deney atom altı davranışlara ilişkin mevcut en iyi kuramsal modelin eksik olduğunu öne sürüyor. Bunun açıklaması ise henüz keşfedilmemiş parçacıkların veya kuvvetlerin var olma ihtimali.
ABD Enerji Departmanı Ulusal Fermi Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda gerçekleştirilen Müon g-2 deneyinin beklenen sonuçları, müonların Standart Model’e uygun olmayan biçimlerde davrandığını gösteriyor.
Müonların Standart Model’den saptıklarını gösteren bu kuvvetli bulgular fiziğin bu yöndeki yaklaşımını değiştirebilir. Atom altı dünyaya açılan bir pencere işlevi gören müonlar henüz keşfedilmemiş parçacıklarla veya kuvvetlerle etkileşim halinde olabilirler.
“Bugün inanılmaz bir gün, bugünü sadece biz değil uluslararası fizik topluluğunun tamamı dört gözle bekliyordu,” diyor Müon g-2 deneyinin eş-sözcüsü, İtalyan Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü’de çalışan fizikçi Graziano Venanzoni.
Müon, elektrondan aşağı yukarı 200 kat büyüktür. Müonlar yeryüzünün atmosferine vuran kozmik ışınlardan doğal yollarla oluşur. Fermilab’taki parçacık hızlandırıcılar bunlardan büyük miktarda üretebilir. Tıpkı elektron gibi müonun da içsel bir manyetik alanı vardır. Güçlü bir manyetik alana girdiğinde, müonun manyetik alanı devinir veya yalpalar. İçsel manyetik gücü, müonun dışsal bir manyetik alana girdiğinde ne kadar yalpalayacağını belirler ve bu devinim fizikçilerin g-faktörü dedikleri bir sayı ile ifade edilir. Bu sayıyı oldukça kesin olarak belirlemek mümkündür.
Müonlar, Müon g-2 manyetik alanında dolanırlar ve anlık var olup yok olan atom altı parçacıklardan ibaret bir kuantum köpüğüyle de etkileşim halindedirler. Bu kısa ömürlü parçacıklarla girdikleri etkileşimler g-faktörünün değerini etkiler ve müonun devinimlerinin hafif hızlanmasına veya yavaşlamasına neden olur. Standart Model, bu sözde anomali teşkil eden manyetik anı oldukça kesin bir biçimde öngörür. Ancak kuantum alanın Standart Model’de var olmayan ekstra kuvvetler veya parçacıklar içermesi halinde, bu durum müon g-faktörünü daha da devindirecektir.
Müon g-2 deneyinin simülasyon müdürü olan, Kentucky Üniversitesi’nde çalışan fizikçi Renee Fatemi, “Ölçtüğümüz bu miktar müonun evrendeki geri kalan her şeyle etkileşimini gösteriyor,” diyor. “Ancak kuramcılar Standart Model’de bilinen bütün kuvvetleri ve parçacıkları kullanarak aynı miktarı ölçtüklerinde aynı sonuca ulaşmıyoruz. Bu da müonun Standart Model’de yer almayan bir şeye karşı hassasiyet gösterdiğinin kanıtı.”
Daha önce bu yönde gerçekleştirilen ve 2001 yılında sona eren Brookhaven Ulusal Laboratuvarı deneyi, müonun davranışının Standart Modele uymadığına dair ipuçları vermişti. Fermilab’taki Müon g-2 deneyinde kullanılan yeni ölçümler Brookhaven’da elde edilen değerlere büyük ölçüde uyuyor ve Standart Model’den sapmalar tespit ediyor.
Müon için kabul gören kuramsal değerler şöyle:
g-faktörü: 2.00233183620(86) [belirsizlik parantez içerisinde ifade edilmiştir]
Anomali gösteren manyetik moment: 0.00116591810(43)
Bugün açıklanan Müon g-2 iş birliğinin yeni deneysel dünya-ortalama sonuçları:
g-faktörü: 2.00233184122(82)
Anomali gösteren manyetik moment: 0.00116592061(41)
Fermilab ve Brookhaven sonuçları bir araya getirildiğinde, kabul gören kuramdan sapma 4.2 sigma oranında. Normalde 5 sigmada (veya standart sapmalar) bilim insanları bunun bir keşif olduğunu ilan eder ama yine de bu sonuç yeni bir fiziğe açılan ciddi bir kanıt olabilir.
“Brookhaven deneyinin üzerinden geçen 20 yılın ardından, nihayet bu gizemin çözüldüğünü görmek insanı çok memnun ediyor,” diyor Fermilab’ta çalışan bilim insanı Chris Polly.
Deneyin ikinci ve üçüncü ayaklarının veri analizleri gerçekleştiriliyor; deneyin dördüncü ayağı ise şu anda gerçekleştiriliyor. Bir beşinci ayağın daha yapılması bekleniyor. Bütün bu beş ayağın sonuçları birleştiğinde, bilim insanları müonun devinimini daha kesin bir biçimde ölçebilecekler ve kuantum köpüğünün altında yeni bir fiziğin var olup olmadığını anlayabileceğiz.
“Şu ana kadar deneyin elde edeceği verilerin %6’sından azını inceledik. Bu ilk veriler bize Standart Model’den ilgi çekici sapmaların olduğunu gösterse de önümüzdeki yıllarda bu konuda daha fazla bilgi edineceğiz,” diyor Polly.
Fermilab Araştırma Müdürü Yardımcısı Joe Lykken ise, “Müonların incelikli davranışlarını saptamak önümüzdeki yıllarda Standart Model’in ötesine geçilmesine yönelik araştırmalara yol gösterecek,” diyor.