Anomalia mionowa, po raz pierwszy zaobserwowana w 2001 r. W eksperymencie w Brookhaven w USA, utrzymywała się. Ta niewielka rozbieżność między obliczoną i wyznaczoną eksperymentalnie wartością momentu magnetycznego mionu została wykryta w tym czasie z istotnością około 3,7 sigma. Odpowiada to poziomowi istotności 99,98% lub prawdopodobieństwu 1 do 4500, że losowe poruszenie danych spowodowało sygnał.

Los szczęścia jest mniej prawdopodobny

Wraz z ogłoszeniem ostatnich wyników z Fermilab dwa tygodnie temu, znaczenie wzrosło do 4,2 sigma. Fermilab w pobliżu Chicago w USA osiągnął obecnie poziom istotności około 99,997%, czyli prawdopodobieństwo 1 do 40 000, że zaobserwowane odchylenie jest przypadkowe. Sam nowy pomiar Fermilab ma znaczenie tylko 3,3 sigma, ale ponieważ odtwarza poprzednie wyniki z Brookhaven, uzyskuje się wyższy poziom bezpieczeństwa. Jednak odchylenie jest mniejsze niż kryterium wykrywania 5 sigma, które jest powszechne w fizyce cząstek elementarnych.

Fizycy z niecierpliwością czekali na wynik Fermilab, ponieważ mogliby kwestionować model standardowy fizyki cząstek elementarnych. Ten model, który ma około 50 lat, jest znanym wcześniej zestawem cegiełek materii i obecnie zawiera 25 cząstek. Jednak większość z nich jest niestabilna i przez to nie pojawia się w substancji, która nas zwykle otacza. Jednak te niestabilne cząstki są tworzone przez zderzenia cząstek o wysokiej energii. Tak dzieje się w naturze, gdy promienie kosmiczne uderzają w górne warstwy atmosfery. Jednak niestabilne cząstki mogą być również tworzone w laboratorium przy użyciu akceleratorów cząstek. Zrobiono to na potrzeby eksperymentu Fermilab, aby zmierzyć moment magnetyczny wytworzonych w ten sposób mionów.

Pierwsze miony odkryto w 1936 roku. Były to jedne z pierwszych niestabilnych cząstek znanych fizykom. Mion jest cięższą wersją elektronu, jest również naładowany elektrycznie i ma żywotność około 2 mikrosekund. To dużo czasu dla fizyków cząstek elementarnych, dlatego miony nadają się do precyzyjnych pomiarów. Moment magnetyczny cząstki określa, jak szybko oś obrotu będzie się obracać wokół linii pola magnetycznego. Aby to zmierzyć, fizycy stworzyli miony, a następnie użyli potężnych magnesów, aby obrócić je w pierścień o średnicy około 15 metrów. Cząstki w końcu ulegają rozpadowi, a moment magnetyczny można następnie wywnioskować z rozkładu produktów rozpadu.

Więcej cząstek? Więcej wymiarów?

Zwykle wynik jest podawany jako wartość g-2, gdzie g jest momentem magnetycznym. Dzieje się tak, ponieważ wartość jest bliska 2, ale fizyków interesują przede wszystkim ilościowe wkłady występujące w odchyleniach od 2. Te niewielkie ilościowe wkłady pochodzą z fluktuacji próżni zawierającej wszystkie cząstki w hipotetycznej formie. Te wirtualne cząsteczki pojawiają się tylko na chwilę, zanim ponownie znikną. Oznacza to, że jeśli cząstek jest więcej niż w modelu standardowym, to te cząstki muszą składać się na mion g-2 – dlatego nowy pomiar jest tak interesujący. Odejście od przewidywań modelu standardowego może oznaczać, że jest więcej cząstek niż obecnie znanych cząstek lub że dostępne są inne nowe fizyki, na przykład dodatkowe wymiary przestrzenne.

Co należy myśleć o rozbieżności sigma 4,2 między prognozowaniem modelu standardowego a nowym pomiarem? Po pierwsze, warto pamiętać, dlaczego fizycy cząstek elementarnych nazywają standard 5 sigma dla nowych odkryć. Nie chodzi o to, że sama fizyka cząstek elementarnych jest dokładniejsza niż w innych dziedzinach nauki ani że fizycy cząstek elementarnych przeprowadzają znacznie lepsze eksperymenty. Dzieje się tak głównie dlatego, że fizycy cząstek mają dużo danych. Im więcej masz danych, tym większe prawdopodobieństwo znalezienia fluktuacji, które wydają się być sygnałem. Fizycy cząstek elementarnych zaczęli używać standardu 5 sigma w połowie lat 90. po prostu po to, aby uchronić się przed zakłopotaniem, które wiele rzekomych odkryć ujawniło później jako wahania statystyczne.

Ale oczywiście 5 sigma to dość arbitralny termin. Fizycy cząstek elementarnych często lubią też omawiać anomalie, które znacznie wykraczają poza ten limit. Przez lata było kilka takich anomalii. Na przykład bozon Higgsa został ponownie „odkryty” w 1996 r., Kiedy sygnał o wielkości około 4 sigma pojawił się w Wielkim Zderzaczu Elektron-Pozyton (LEP) (LEP) w CERN – a następnie ponownie zniknął. Również w 1996 roku infrastruktury kwarków znaleziono w około 3 sigma. Oni też zniknęli. W 2003 roku w LEP zaobserwowano oznaki supersymetrii (powszechne rozszerzenie Modelu Standardowego), również przy około 3 sigma. Ale wkrótce ich nie było. W 2015 roku widzieliśmy anomalię dwufotonową w LHC, która pozostawała na poziomie około 4 sigma przez chwilę, zanim ponownie zniknęła. Było nawet kilka niesamowitych odkryć 6 sigma, które zniknęły później, jak „superjety” z 1998 roku w Tevatron (których tak naprawdę nikt nie wie, czym one są) lub pentachoarki, które zostały zauważone w HERA w 2004 roku – pięć kwarków zostało faktycznie odkrytych Dopiero w 2015 roku.

To daje nam dobrą podstawę do oceny, jak poważna jest sigma 4.2. Ale oczywiście anomalia g-2 mogłaby powiedzieć na ich korzyść, że nie osłabiła się, a raczej stała się silniejsza.