W fizyce klasycznej próżnia jest całkowitą pustką — prawdziwym przejawem nicości. Ale fizyka kwantowa mówi, że pusta przestrzeń nie jest Naprawdę pusty. Zamiast tego brzęczy „wirtualnymi” cząsteczkami, które pojawiają się i znikają zbyt szybko, by można je było wykryć. Naukowcy wiedzą, że te wirtualne cząstki istnieją, ponieważ w wymierny sposób poprawiają właściwości zwykłych cząstek.
Jedną z kluczowych właściwości, które zmieniają te musujące cząstki, jest maleńkie pole magnetyczne generowane przez pojedynczy elektron, znane jako jego moment magnetyczny. Teoretycznie, gdyby naukowcy mogli wyjaśnić wszystkie typy cząstek wirtualnych, które istnieją, mogliby przeprowadzić matematykę i dokładnie to ustalić Jak przekrzywiony moment magnetyczny elektronu powinien wynikać z pływania w tej wirtualnej puli cząstek. Dysponując odpowiednio precyzyjnymi instrumentami, mogli sprawdzić swoją pracę z rzeczywistością. Określenie tej wartości tak dokładnie, jak to tylko możliwe, pomogłoby fizykom dokładnie określić, które wirtualne cząstki bawią się momentem magnetycznym elektronu – niektóre z nich mogą należeć do zawoalowanego sektora naszego Wszechświata, gdzie na przykład rezyduje nieuchwytna ciemna materia.
W lutym czterech naukowców z Northwestern University ogłosiło, że właśnie to zrobili. Ich wyniki, opublikowane w Listy z przeglądu fizycznegopodają moment magnetyczny elektronu z oszałamiającą precyzją: 14 cyfr po przecinku i ponad dwa razy dokładniej niż poprzedni pomiar z 2008 roku.
Mogłoby się wydawać, że to przesada. Ale stawką jest znacznie więcej niż matematyczna dokładność. Mierząc moment magnetyczny, naukowcy testują teoretyczną podstawę fizyki cząstek elementarnych: model standardowy. Podobnie jak fizyczna wersja układu okresowego, jest on ułożony jako wykres wszystkich cząstek znanych w przyrodzie: cząstek subatomowych tworzących materię, takich jak kwarki i elektrony, oraz tych, które przenoszą lub pośredniczą w oddziaływaniu, takich jak gluony i fotony. Model zawiera również zestaw reguł dotyczących zachowania się tych cząstek.
Ale fizycy wiedzą, że model standardowy jest niekompletny – prawdopodobnie brakuje w nim niektórych elementów. Prognozy oparte na modelu często nie pokrywają się z obserwacjami rzeczywistego wszechświata. Nie może wyjaśnić kluczowych zagadek, takich jak to, w jaki sposób wszechświat rozdęł się do obecnych rozmiarów po Wielkim Wybuchu, ani nawet jak w ogóle może istnieć – pełen materii iw większości pozbawiony antymaterii, która powinna go anulować. Model nie mówi też nic o ciemnej materii sklejającej ze sobą galaktyki ani o ciemnej energii pobudzającej kosmiczną ekspansję. Być może jego najbardziej rażącą wadą jest niemożność uwzględnienia grawitacji. Niezwykle precyzyjne pomiary znanych cząstek są zatem kluczem do ustalenia, czego brakuje, ponieważ pomagają fizykom skupić się na lukach w modelu standardowym.
„Model standardowy jest naszym najlepszym opisem rzeczywistości fizycznej” – mówi Gerald Gabrielse, fizyk z Northwestern University, który jest współautorem nowego badania, a także wyników z 2008 roku. „To bardzo udana teoria, ponieważ może przewidzieć zasadniczo wszystko, co możemy zmierzyć i przetestować na Ziemi – ale myli wszechświat”.
W rzeczywistości najdokładniejszym przewidywaniem modelu standardowego jest wartość momentu magnetycznego elektronu. Jeśli przewidywany moment magnetyczny nie zgadza się z tym, co widać w eksperymentach, rozbieżność może być wskazówką, że w grę wchodzą nieodkryte cząstki wirtualne. „Zawsze powtarzam, że natura podpowiada, które równania są poprawne” — mówi Xing Fan, fizyk z Northwestern University, który kierował badaniami jako absolwent Uniwersytetu Harvarda. „Jedynym sposobem, w jaki możesz to sprawdzić, jest porównanie swojej teorii z rzeczywistym światem”.
