Điều gì có khối lượng gấp 200 lần khối lượng của một electron, tồn tại trong khoảng 2 phần triệu giây, liên tục tấn công từng inch bề mặt Trái đất và dường như hoạt động theo cách chọc thủng một lỗ hổng trong các định luật vật lý đã được chấp nhận từ lâu ?
Đó sẽ là hạt muon, một loại hạt được phát hiện lần đầu tiên vào cuối những năm 1930 , được hình thành trong tự nhiên khi các tia vũ trụ tấn công các hạt trong bầu khí quyển của hành tinh chúng ta. Các hạt muon đang đi qua bạn và mọi thứ xung quanh bạn với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, nhiều người trong chúng ta có lẽ thậm chí không nhận ra sự tồn tại của chúng cho đến tháng 4 năm 2021, khi hạt này xuất hiện trên các mặt báo sau khi các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia Fermi của chính phủ Hoa Kỳ - thường được gọi là Fermilab - công bố kết quả ban đầu của ba năm -long Muon g-2 thí nghiệm .
Nghiên cứu của Fermilab đã xác nhận những phát hiện trước đó rằng muon hoạt động theo cách trái với Mô hình Chuẩn của Vật lý Hạt , khung lý thuyết nhằm mục đích mô tả cách thực tế hoạt động ở cấp độ nhỏ nhất. Như bài báo này trên Science giải thích, muon - tồn tại trong một biển các hạt nhỏ và phản hạt khác có ảnh hưởng đến chúng - thực sự có từ tính nhiều hơn một chút so với dự đoán của Mô hình Chuẩn. Điều đó, đến lượt nó, chỉ ra sự tồn tại có thể có của các hạt hoặc lực khác, vẫn chưa được biết đến.
Là một trong những nhà nghiên cứu, nhà vật lý Jason Bono, giải thích trong một thông cáo báo chí từ trường Đại học Quốc tế Florida, nhóm nghiên cứu biết rằng nếu họ xác nhận sự khác biệt trong từ tính của các hạt muon, "chúng tôi sẽ không biết chính xác điều gì gây ra nó, nhưng chúng tôi sẽ biết đó là điều gì đó mà chúng tôi chưa hiểu. "
Các kết quả ban đầu, cùng với các nghiên cứu hạt khác gần đây , có thể giúp xây dựng trường hợp cho một vật lý mới thay thế Mô hình Chuẩn. Từ Fermilab, đây là video YouTube giải thích kết quả và ý nghĩa của chúng:
Mark B. Wise giải thích trong một cuộc phỏng vấn qua email : “Các hạt muon giống như các electron ngoại trừ nặng hơn 200 lần . Ông là giáo sư vật lý năng lượng cao tại Viện Công nghệ California và là thành viên của Học viện Khoa học Quốc gia danh tiếng . (Nếu điều đó không đủ gây ấn tượng với bạn, anh ấy cũng từng là cố vấn kỹ thuật về máy gia tốc hạt cho bộ phim Hollywood năm 2010 "Người sắt 2").
Wise nói: “Theo công thức E = mc2 của Einstein, điều này có nghĩa là các hạt muon ở trạng thái nghỉ có năng lượng lớn hơn các electron. "Điều này cho phép chúng phân rã thành các hạt nhẹ hơn trong khi vẫn bảo toàn năng lượng tổng thể."
Một điểm khác biệt chính nữa là các electron được cho là khá gần với bất tử , nhưng các hạt muon chỉ tồn tại trong 2,2 phần triệu giây, trước khi chúng phân rã thành một electron và hai loại neutrino, theo tài liệu nghiên cứu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ về hạt này.
Các hạt muon liên tục được tạo ra khi các tia vũ trụ tấn công các hạt trong bầu khí quyển của Trái đất, di chuyển những khoảng cách đáng kinh ngạc trong thời gian tồn tại ngắn ngủi của chúng, di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Chúng tấn công từng inch bề mặt Trái đất và đi qua hầu hết mọi thứ trên con đường tức thời của chúng, có khả năng xuyên sâu một dặm hoặc hơn vào bề mặt Trái đất, theo DOE.
Một số người đã mô tả muon là chìa khóa để hiểu tất cả các hạt hạ nguyên tử, mặc dù Wise không đi xa đến thế. Ông nói: “Để tìm kiếm vật lý ngoài tầm hiểu biết hiện tại của chúng ta, bạn nên nghiên cứu tất cả các hạt. "Mặc dù vậy, muon có một số ưu điểm. Ví dụ, mômen từ dị thường của nó được dự đoán rất chính xác, điều này làm cho nó nhạy cảm hơn với vật lý mới, ngoài lý thuyết hiện tại của chúng tôi có thể thay đổi dự đoán này. Đồng thời, nó có thể được đo rất chính xác."
Tuy nhiên, nghiên cứu muon không phải là một vấn đề đơn giản. Fermilab đang sử dụng một thiết bị nặng 700 tấn (635 tấn) chứa ba vòng, mỗi vòng có đường kính 50 feet (15 mét), được vận chuyển bằng sà lan và xe tải đến Illinois từ ngôi nhà ban đầu của nó tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven ở New York trong vài năm. trở lại. Thiết bị này có khả năng tạo ra từ trường 1,45 Tesla, gấp khoảng 30.000 lần từ trường Trái đất.
Wise giải thích: “Thật hấp dẫn khi để nghiên cứu một thứ quá nhỏ bé và tồn tại trong thời gian ngắn, họ cần những thiết bị khổng lồ này. "Khi chúng được tạo ra ở năng lượng cao, chúng di chuyển gần như bằng tốc độ ánh sáng và có thể di chuyển một khoảng cách hợp lý trước khi phân rã. Vì vậy, bạn có thể tìm kiếm bằng chứng chúng để lại trong một máy dò."
Ví dụ, vì muon là các hạt mang điện nên chúng có thể ion hóa vật chất mà chúng đi qua. Theo Wise, các điện tử được tạo ra bởi quá trình ion hóa này có thể được phát hiện.
Wise nói rằng phát hiện gần đây của nhóm Fermilab rằng hạt có từ tính cao hơn một chút so với dự kiến của các nhà vật lý. "Nó không đồng ý với dự đoán của lý thuyết hiện tại cho mômen từ muon (lý thuyết hiện tại thường được gọi là Mô hình chuẩn). Vì vậy, có một số vật lý mới vượt ra ngoài điều đó trong lý thuyết hiện tại của chúng tôi và thay đổi dự đoán cho đại lượng này", Wise nói
Giống như nhiều khám phá quan trọng khác, phát hiện của Fermilab đặt ra nhiều câu hỏi mới, và có nhiều điều mà các nhà khoa học vẫn muốn biết về muon.
Wise nói: “Vật lý mới là gì là câu hỏi mà nó đặt ra. "Ngoài ra còn có một số dị thường khác không được giải thích trong [Mô hình chuẩn] liên quan đến các hạt muon. Tất cả chúng đều được kết nối theo một cách nào đó?"
Wise cũng lưu ý về những phát hiện của Fermilab. Ông giải thích: “Có thể có một số tác động mang tính hệ thống trong thí nghiệm chưa được hiểu rõ và đang ảnh hưởng đến việc giải thích phép đo. "Tương tự như vậy đối với lý thuyết. Vì vậy, sự bất thường này cuối cùng có thể biến mất. Điều rất quan trọng là phải kiểm tra những thứ như vậy càng nhiều càng tốt."
Bây giờ điều đó thật thú vị
Như nhà vật lý Fermilab Chris Polly đã lưu ý trong bài luận năm 2020 này , mọi hạt trong vũ trụ - ngay cả trong khoảng không gian sâu nhất, dường như trống rỗng nhất - được bao quanh bởi một "đoàn thể" các hạt khác, chúng liên tục "nhấp nháy trong và ngoài sự tồn tại. "
