มวลของอิเล็กตรอนประมาณ 200 เท่า มีอยู่ประมาณ 2 ในล้านของวินาที กระทบพื้นผิวโลกทุก ๆ นิ้วอย่างต่อเนื่อง และดูเหมือนว่าจะมีพฤติกรรมในลักษณะที่เจาะรูตามกฎฟิสิกส์ที่ยอมรับกันมานาน?
นั่นคือ มิวออน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ค้นพบครั้งแรกในช่วงปลายทศวรรษ 1930ซึ่งก่อตัวขึ้นในธรรมชาติเมื่อรังสีคอสมิกกระทบอนุภาคในชั้นบรรยากาศของโลก Muons กำลังผ่านตัวคุณและทุกสิ่งรอบตัวคุณด้วยความเร็วใกล้เคียงกับแสง อย่างไรก็ตาม พวกเราหลายคนอาจไม่รู้ด้วยซ้ำว่ามีตัวตนอยู่จนถึงเดือนเมษายน 2021 เมื่ออนุภาคดังกล่าวพาดหัวข่าวหลังจากนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ Fermi ของรัฐบาลสหรัฐฯ หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อFermilab ได้เปิดเผยผลลัพธ์เบื้องต้นในระยะเวลาสามปี ยาวMuon G-2 การทดลอง
การศึกษาของ Fermilab ยืนยันการค้นพบก่อนหน้านี้ว่า muon มีพฤติกรรมตรงกันข้ามกับStandard Model of Particle Physicsซึ่งเป็นกรอบทฤษฎีที่มีจุดมุ่งหมายเพื่ออธิบายว่าความเป็นจริงทำงานอย่างไรในระดับที่น้อยที่สุด ตามที่บทความนี้ใน Science อธิบาย มิวออนซึ่งมีอยู่ในทะเลที่มีอนุภาคขนาดเล็กและปฏิปักษ์อื่นๆที่ส่งผลต่อพวกมัน จริง ๆ แล้วมีแม่เหล็กมากกว่าแบบจำลองมาตรฐานเล็กน้อย ในทางกลับกันชี้ให้เห็นถึงการมีอยู่ของอนุภาคหรือกองกำลังอื่นที่ยังไม่เป็นที่รู้จัก
นักฟิสิกส์คนหนึ่งชื่อ Jason Bono อธิบายในข่าวประชาสัมพันธ์จากโรงเรียนเก่าของเขา Florida International University ทีมงานรู้ว่าหากพวกเขายืนยันความคลาดเคลื่อนในสนามแม่เหล็กของมิวออน "เราจะไม่ทราบแน่ชัดว่าอะไรเป็นสาเหตุ แต่เรา จะได้รู้ว่ามันเป็นสิ่งที่เรายังไม่เข้าใจ”
ผลลัพธ์เบื้องต้น ร่วมกับการวิจัยอนุภาคล่าสุดอื่นๆสามารถช่วยสร้างกรณีศึกษาสำหรับฟิสิกส์ใหม่ที่จะมาแทนที่แบบจำลองมาตรฐาน จาก Fermilab นี่คือวิดีโอ YouTube ที่อธิบายผลลัพธ์และความสำคัญ:
"Muons เปรียบเสมือนอิเล็กตรอน ยกเว้นว่าหนักกว่า 200 เท่า" Mark B. Wiseอธิบายในการสัมภาษณ์ทางอีเมล เขาเป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์พลังงานสูงที่ California Institute of Technology และเป็นสมาชิกของอันทรงเกียรติNational Academy of Sciences (หากนั่นยังทำให้คุณประทับใจไม่พอ เขายังทำหน้าที่เป็นที่ปรึกษาด้านเทคนิคเกี่ยวกับเครื่องเร่งอนุภาคสำหรับภาพยนตร์ฮอลลีวูดเรื่อง "Iron Man 2" ในปี 2010)
"ตามสูตรของ Einstein E = mc2 หมายความว่ามิวออนที่อยู่นิ่งมีพลังงานมากกว่าอิเล็กตรอน" Wise กล่าว "สิ่งนี้ช่วยให้พวกมันสลายตัวเป็นอนุภาคที่เบากว่าในขณะที่ยังคงประหยัดพลังงานโดยรวม"
ข้อแตกต่างที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือ เชื่อกันว่าอิเล็กตรอนมีความใกล้เคียงกับความเป็นอมตะแต่มิวออนมีอยู่เพียง 2.2 ล้านส่วนในหนึ่งวินาที ก่อนที่มันจะสลายตัวเป็นอิเล็กตรอนและนิวตริโนสองชนิด ตามข้อมูลของไพรเมอร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯบนอนุภาคนี้
มิวออนที่ถูกสร้างขึ้นอย่างต่อเนื่องเมื่อรังสีคอสมิกกระทบอนุภาคในชั้นบรรยากาศของโลกเดินทางเป็นระยะทางที่น่าอัศจรรย์ในการดำรงอยู่สั้น ๆ โดยเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง พวกมันโจมตีทุกตารางนิ้วของพื้นผิวโลกและทะลุผ่านเกือบทุกอย่างในเส้นทางเดียวกัน ซึ่งอาจเจาะเข้าไปในพื้นผิวโลกได้ตั้งแต่หนึ่งไมล์ขึ้นไป
บางคนอธิบายว่ามิวออนเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจอนุภาคย่อยของอะตอมทั้งหมด แม้ว่าปรีชาญาณจะไม่ไปไกลขนาดนั้น "ในการค้นหาฟิสิกส์ที่เกินกว่าความเข้าใจในปัจจุบันของเรา คุณควรศึกษาอนุภาคทั้งหมด" เขากล่าว "มิวออนมีข้อดีอยู่บ้าง ตัวอย่างเช่น โมเมนต์แม่เหล็กผิดปกติของมันถูกทำนายอย่างแม่นยำมาก ซึ่งทำให้ไวต่อฟิสิกส์ใหม่ มากกว่าทฤษฎีปัจจุบันของเราที่จะเปลี่ยนการทำนายนี้ ในขณะเดียวกันก็สามารถวัดได้อย่างแม่นยำมาก"
การศึกษามิวออนไม่ใช่เรื่องง่าย Fermilab กำลังใช้อุปกรณ์ขนาด700 ตัน (635 เมตริกตัน)ที่มีวงแหวนสามวง แต่ละวงมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 ฟุต (15 เมตร) ซึ่งจัดส่งโดยเรือบรรทุกและรถบรรทุกไปยังรัฐอิลลินอยส์จากบ้านเดิมที่Brookhaven National Laboratoryในนิวยอร์กเมื่อไม่กี่ปีมานี้ กลับ. อุปกรณ์นี้สามารถสร้างสนามแม่เหล็ก 1.45 เทสลา ประมาณ 30,000 เท่าของสนามแม่เหล็กโลก
"มันน่าทึ่งมากที่การศึกษาสิ่งเล็กๆ น้อยๆ และอายุสั้น พวกเขาต้องการอุปกรณ์ขนาดใหญ่เหล่านี้" Wise อธิบาย "เมื่อถูกผลิตขึ้นด้วยพลังงานสูง พวกมันเดินทางเกือบด้วยความเร็วแสงและสามารถเดินทางได้ไกลพอสมควรก่อนที่จะสลายตัว ดังนั้นคุณอาจมองหาหลักฐานที่ทิ้งไว้ในเครื่องตรวจจับ"
ตัวอย่างเช่น เนื่องจากมิวออนเป็นอนุภาคที่มีประจุ พวกมันจึงสามารถแตกตัวเป็นไอออนของสสารที่ผ่านเข้าไปได้ อิเล็กตรอนที่ผลิตโดยไอออไนซ์นี้สามารถตรวจพบได้ตาม Wise
Wise กล่าวว่าเมื่อเร็ว ๆ นี้ทีม Fermilab ค้นพบว่าอนุภาคมีแม่เหล็กมากกว่าที่นักฟิสิกส์คาดไว้เล็กน้อย "มันไม่เห็นด้วยกับการทำนายของทฤษฎีปัจจุบันสำหรับโมเมนต์แม่เหล็กของมิวออน (ทฤษฎีปัจจุบันมักจะเรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน) ดังนั้นจึงมีฟิสิกส์ใหม่ ๆ มากกว่านั้นในทฤษฎีปัจจุบันของเราที่มีอยู่และเปลี่ยนการทำนายสำหรับปริมาณนี้" ปรีชาญาณ พูดว่า
เช่นเดียวกับการค้นพบที่สำคัญอื่นๆ การค้นพบของ Fermilab ทำให้เกิดคำถามใหม่ๆ และมีอีกมากที่นักวิทยาศาสตร์ยังคงต้องการทราบเกี่ยวกับมิวออน
"ฟิสิกส์ใหม่คืออะไรคือคำถามที่เกิดขึ้น" ไวส์กล่าว "ยังมีความผิดปกติอื่นๆ ที่ไม่ได้อธิบายไว้ใน [แบบจำลองมาตรฐาน] ที่เกี่ยวข้องกับมิวออน สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องกันในทางใดทางหนึ่งหรือไม่"
ปรีชาญาณยังเตือนถึงข้อค้นพบของ Fermilab "อาจมีผลอย่างเป็นระบบในการทดลองที่ไม่เข้าใจและส่งผลต่อการตีความการวัด" เขาอธิบาย "ในทำนองเดียวกันกับทฤษฎี ดังนั้นความผิดปกตินี้อาจหายไปในที่สุด การตรวจสอบสิ่งต่าง ๆ ให้มากที่สุดเป็นสิ่งสำคัญมาก"
ตอนนี้น่าสนใจ
ตามที่นักฟิสิกส์ของ Fermilab Chris Polly กล่าวไว้ในบทความเรียงความปี 2020นี้ทุกอนุภาคในจักรวาล — แม้ในอวกาศที่กว้างใหญ่ที่สุดและดูเหมือนว่างเปล่าที่สุด — ถูกล้อมรอบด้วย "สิ่งแวดล้อม" ของอนุภาคอื่น ๆ ซึ่ง "กะพริบเข้าและออกจากการดำรงอยู่" อย่างต่อเนื่อง "
