Elektroniga sarnase, kuid temast raskema müüoni käitumine magnetväljas võib viidata senitundmatute osakeste olemasolule, võib-olla isegi salapärase tumeaine täpsematele omadustele. Varasemate mõõtmiste tulemuse õigsus selgub õige pea USA-s asuva Fermilabi müüoni g – 2 eksperimendis.
Fermilabi müüoni g – 2 eksperimendi rõngashoidla, milles kiirendatakse müüone pea valguse kiiruseni. GLUKICOV / WIKIPEDIA
Anomaalsete magnetmomentide uurimist alustame müüoni väiksemast veljest elektronist. Kompassi magnetnõel näitab põhjasuunda, sest Maa magnetväljas mõjub talle pöördejõud. Magnetvälja võib tekitada ka elektrivool, kuid terasnõela magnetväli tuleb sellest, et raua aatomite elektronid on ise väikesed püsimagnetid. Nii nagu kompassinõel, püüab välises magnetväljas olev üksik elektron orienteeruda selle sihis. Kuid kuna elektronil on spinn, ei keera elektron end välise magnetvälja sihis, vaid ta telg hakkab ümber selle sihi tiire tegema (pretsesseerima) nagu loperdav vurr.
Selle, kui kiiresti elektron pretsesseerib, määrab elektroni magnetvälja tugevuse ja spinni jagatis, nn güromagnetiline suhe g. Diraci võrrand, mis kirjeldab elektroni ja teiste fermionite käitumist, ennustab, et g = 2. Tegelikkuses erineb güromagnetiline suhe g arvust 2 umbes 0,1 protsendi võrra. Seda erinevust nimetatakse anomaalseks magnetmomendiks. Asi on selles, et elektroni vastastikmõju footoniga – elektromagnetilise jõu kandjaga – mõjutavad virtuaalsel kujul kõik laetud osakesed, mis üldse olemas on.
Elektroni anomaalse magnetmomendi arvutas 1948. aastal esimesena välja Ameerika teoreetik Julian Schwinger. Tulemus α / (2 π), kus α on elektromagnetilise vastastikmõju tugevus, on raiutud ka tema hauakivile. Tänapäeval on elektroni g – 2 välja arvutatud veel palju täpsemini; see on lausa osakestefüüsika standardmudeli kõige paremini kontrollitud ennustus!
See ennustus on nii täpne, sest elektroni anomaalset magnetmomenti mõjutab kõige enam elektron ise. Siin tuleb appi teine osake, müüon, mis on elektronile kõigiti sarnane, aga temast 207 korda raskem. Seetõttu on müüoni g – 2 märksa tundlikum suurema massiga virtuaalsetele osakestele.
Seniste mõõtmiste järgi Brookhaveni labori E821 eksperimendis on müüoni anomaalsest magnetmomendist 99,96% seletatav juba tuntud füüsikaga, kuid ülejäänud 0,04% seletamiseks tuleb appi võtta senitundmatud osakesed.
Paljud populaarsed uue füüsika kandidaadid – näiteks supersümmeetria – ennustavad osakestefüüsika standardmudelist erinevat müüoni g – 2.
Ka käesoleva loo autorid on oma teadustöödes mitmete uute osakestefüüsika mudelite jaoks välja arvutanud müüoni anomaalse magnetmomendi – näiteks uurides võimalust, et nii müüoni mass kui anomaalne magnetmoment tulevad uute osakeste kvantparandustest või et teatud tumeaine osake mõjutab müüoni g – 2.
Selleks, et mõõta müüoni magnetmomenti, tuleb see asetada magnetvälja, kus saab mõõta tema pretsesseerumist. Kuna paigalseisva müüoni eluiga on ainult 2,2 mikrosekundit, kasutatakse mõõtmise täpsemaks teostamiseks pea valguse kiirusega liikuvaid müüoneid, mille lagunemiseks kulub mitukümmend mikrosekundit. Katseseadmes tiirutavad kiired müüonid ringi rõngakujulises müüonhoidlas. Nõnda tuleb lahendada kolm väga keerulist ülesannet: toota mõõtmiseks piisavalt müüoneid, tekitada rõngastorus ülimalt ühtlane magnetväli ja mõõta ära rõngas tiirutavate müüonite anomaalne magnetmoment.
Esimese ülesande lahendamiseks mõtlesid osakestefüüsikud juba 1950. aastate lõpus välja müüonite „vabrikud”. Osakestekiirendis antakse sellisele igapäevaosakesele nagu prooton suur energia ja tulistatakse see ainetüki pihta. See tekitab kaskaadi osakesi, millest oluline osa on väga lühikese eluaega piionid. Piionite hulgast eraldatakse magnetvälja abil laetud piionid. Need hakkavad kiiresti lagunema müüoniteks, mis omakorda suunatakse edasi, kasutades nn müüonieraldajat. Saadud (anti)müüonid tuleb nüüd „maha rahustada” ehk jagada need ühtlastesse portsjonitesse, kus kõik müüonid liiguvad rahulikult üksteise kõrval.
Kui värsked müüonid on vabrikust välja lastud, suunatakse need müüonhoidlasse. Peadpööritava kiirusega väga ühtlases magnetväljas tiirutades säilivad nad piisavalt kaua, et nende anomaalne magnetmoment ära mõõta. Tugevat magnetvälja hoitakse ülijuhtivast materjalist valmistatud magnetite abil. Kuna magnetväli kipub kõikuma, tuleb seda pidevalt üle mõõta. Selleks saab kasutada näiteks torusse paigutatud testkehasid, mille puhul mõõdetakse tuumamagnetresonantsi.
Tegu on sama nähtusega, mida kasutatakse meditsiinis, et inimeste sisse vaadata.
Müüoni magnetmomenti ennast mõõdetakse kaudselt. Antimüüon laguneb lõpuks positroniks (elektroni antiosake) ja kaheks neutriinoks. Tekkinud positroni omadused on tundlikud selle suhtes, millise nurga all olid omavahel osakese spinn ja magnetväli. Et seda üliväikest efekti näha, selleks tuleb loomulikult vaadata miljoneid lagunemisi, mõõta tekkinud positronide liikumistrajektoori ja energiat ning andmeid statistiliselt analüüsida. Liikumistrajektoori mõõtmiseks kasutatakse nagu CERN-i suures hadronite põrgutiski träkkerit, mida võib ette kujutada kolmemõõtmelise CCD-kaamerana. Kui nutitelefoni või fotoaparaadi CCD-kaamera pildistab üles kahemõõtmelise foto, siis träkker annab kolmemõõtmelise pildi osakestest, mis temast läbi lendavad. Edasi lähevad positronid kalorimeetrisse, kus mõõdetakse ära nende energia.
Nii töötab 2016. aastal tööd alustanud müüoni g – 2 eksperiment Fermilabis, USA suurimas osakestefüüsika laboris, mis jääb mõõtmetelt alla ainult Euroopas asuvale CERN-ile. Tulemused avaldatakse loodetavasti selle aasta esimesel poolel. Neid tulemusi ootab osakestefüüsikute kogukond – loo autorid kaasa arvatud – väga suure põnevusega. Nagu juba mainisime, leidis varasem eksperiment E821 (2001), et müüoni anomaalne magnetmoment on anomaalselt suur. On kaks võimalust: kas praegune eksperiment lükkab selle ümber ja kinnitab standardmudeli ennustuse kehtivust või kinnitab see eelmise eksperimendi tulemust. Loomulikult ootavad füüsikud põnevusega viimast. See oleks esimene maine eksperiment, mis näitaks, et standardmudel vajab täiendamist uute osakestega.
Andi Hektor (1975) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur. Tema teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, astroosakestefüüsika, kosmoloogia, kosmilised kiired ja andmeteadus.
Kristjan Kannike (1978) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur. Tema teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, kosmoloogia ja varajase universumi füüsika.
Marten Seppel: Peeter I reis läbi suure nälja aegse Liivimaa;
Sille Remm: Tuberkuloositekitajate salarelv;
Martin Malve: Vanim tuberkuloosijuhtum Eestis;
Enno Merivee, Anne Must, Karin Nurme: Putukate kuumataju mõistatuse lahendamine;
Kalju Eerme: Ultraviolettkiirgus ja tervis;
Raido Puust: Ehitustegevuse kaardistamine kaugseirega;
Intervjuu mobiiltelefonide asukohaandmeid analüüsiva Positiumi tegevjuhi Erki Saluveeriga; Tanel Vahter: Krohmseened taimedes; Tuul Sepp, Randel Kreitsberg: Kuidas tulla toime elupaikade killustumisega?; Andi Hektor, Kristjan Kannike: Ootamatu leid tumeaine otsinguil;
Mihkel Kama: Esimene tabamus planeeditekkekettast;
Piret Pappel: Krüoelektronmikroskoopia püüab ongströmi piiri;
Ain Kallis: Ilm ja naabrid;
Juhan Kreem: Kulleri teekond;
Ken Kalling: Polkovniku lese sündroom; Heigo Rosin endast ja teadusest;
Jürgen Jänes: Valmistagem vaktsiin;
Jüri Ivaski kosmosekroonika; Oleg Koshik: Matemaatikavõistlustel naabrite juures; Tõnu-Andrus Tannberg: Käbini mälestused – oodatud, kuid ajastu pitseri all lookas;
Indrek Rohtmets: Tiit Kändler teravmeelselt teadusest;
Tõnu Tõnso Enigma: Veel kujundite pindalade suhteid;
Indrek Salise ja Jevgeni Nurmla mälusäru.
31. rahvusvaheline bioloogiaolümpiaad pidi sel aastal toimuma 3.–11. juulil Jaapanis Nagasakis. Maailma segi paisanud koroonaviiruse tõttu asendati olümpiaad aga arvutivõrgus toimunud üritusega IBO Challenge 2020, mis peeti 11. ja 12. augustil samaaegselt kõigis osalevates riikides.
Riikide võistkonnad (enne koroonat oli osalema registreeritud 80 riiki) olid oma kodudes ja töö käis osaliselt veebi vahendusel. Selle asemel, et ühes suures ruumis oleks korraga arvutites ülesandeid lahendanud 320 õpilast, istusid nüüd pea 50 maa esindused ja 200 õpilast väljatrükitud küsimuste taga oma kodudes ning lahendasid ülesandeid pliiats käes.
Igast riigist osales võistlusel neli õpilast. Eesti võistkonda kuulusid Mari Remm (Hugo Treffneri gümnaasiumi 12. klass, tänane Tartu ülikooli (TÜ) arstiteaduskonna esmakursuslane), Johan Tamm (Hugo Treffneri gümnaasiumi 11. klass), Sofia Marlene Haug ja Martin Rahe (mõlemad Tallinna reaalkooli 11. klassist). Meie võistkonda juhendasid ja õpilastele olid tööde tõlkimisel abiks TÜ arst-resident Uku-Laur Tali, TÜ molekulaar- ja rakubioloogia instituudi doktorant Karl Jürgenstein, TÜ arstiteaduskonna üliõpilane Ando Vaan ning TÜ molekulaar- ja rakubioloogia instituudi vivaariumi juhataja Sulev Kuuse.
IBO Challenge’i praktilised tööd olid valitud nii, et neid saaks teha arvutis. Varasema nelja praktikumi asemel oli neid vaid kaks: loomafüsioloogia ja bioinformaatika praktikum. Kolmetunnise teooriaosa küsimused olid nõudlikud ja rahvusvahelisele bioloogiaolümpiaadile omaselt keerulised. Vastamiseks oli tarvis laialdasi teadmisi, ja mitte ainult konkreetsel teemal. Küsimuste lahendamine toimus igas riigis kohapeal, kuid õpilaste vastused tuli saata Jaapanisse, kus lahendused ja vastused kontrolliti. Võistluse tulemused tehti teatavaks augusti viimasel nädalal.
Tänavusel jõukatsumisel avalikku pingerida ei moodustatud, küll aga jagati korraldajate ja osalejate soovil tulemuste alusel parimatele medalid ja aukirjad. Olümpiaadil said kulla 21, hõbeda 42 ja pronksi 56 gümnasisti. Lisaks anti üheteistkümnele õpilasele eduka esinemise eest aukiri. Eraldi toodi nimeliselt välja parimad kaks teooriaeksmi sooritanud Hiina õpilast ja veel märkis Jaapani žürii ära mõned väljapaistvad õpilased. Eesti nelikust märgiti ära kõik osalejad: Martin Rahe teenis hõbeda, Mari Remm ja Johan Tamm võitsid pronksmedali ning Sofia Marlene Haug pälvis aukirja. IBO Challenge 2020 tulemused leiab võistluse kodulehelt ibo2020.org/en/ibo-challenge-2020.
Žüriiliikme vaatenurgast oli tänavune üleilmne bioloogiaolümpiaad (või täpsemalt selle asendusvõistlus) väga professionaalselt korraldatud. Küsimused olid huvitavad ning hästi koostatud, kogu korralduslik osa oli selgelt välja kirjutatud ja läbi mõeldud. See tegi ka meile siin Eestis olümpiaadi korraldamise lihtsaks. Tõlkimise käigus tekkis kiiresti päris olümpiaadi tunne, sest töö oli niivõrd intensiivne. Puudust võis tunda vaid korraldajamaa kultuuriprogrammist, aga praeguse aja tõttu ei olnud meil muud varianti kui leppida üksnes tõlkimise kõrvale tellitud sushiga.
Kõrvalt võistlejaid jälgides tundus, et neilgi tekkis tavapärane võistlusmoment ning -närv, keegi ei suhtunud olümpiaadi teisiti, olgugi, et konkurente nad sel aastal kordagi ei näinud. Viimasest on muidugi kahju, sest kuna võistlejad omavahel silmast silma ei kohtunud, ei olnud sel aastal võimalik täita üht IBO suurtest eesmärkidest – tuua üle maailma kokku noored bioloogiahuvilised, et nad vahetaksid omavahel teadmisi ning sõlmiksid uusi sõprussidemeid. Tänu sellisele sotsiaalse poole puudumisele tuli võistlejatel väga kiiresti end olümpiaadilainele seadistada. Tulemuste põhjal võib öelda, et Eesti võistkond sai kõigega hästi hakkama.
Et rahvusvaheline bioloogiaolümpiaad ei piirduks üksnes ülesannete lahendamisega, käis kogu meeskond in corpore koos juhendajatega pärast olümpiaadi ametlikku lõppu Võrtsjärve põhjakaldal Vaibla linnujaamas. Seal võttis neid vastu hea linnutundja ja lindude rõngastamise pikaaegne organiseerija, bioloog Kristjan Adojaan. Lisaks nautisid asjaosalised Jaapani troopilise kuumuse asemel Eestimaa karget looduseilu Pärnumaal Sassijärvel. Tänavune riigisisene bioloogiaolümpiaad oli viimane, mis sai toimuda enne koroonapandeemiast tingitud liikumispiirangute kehtestamist. Tänu sellele, et korralise IBO asmel toimus siiski IBO Challenge 2020, saame olla väga rahul, sest õpilaste töö ja tehtud pingutus sai siiski hinnatud. Loodame vaid, et olümpiaadiliikumine ei koli lõplikult internetimaailma ja et järgmisel aastal saame noorbioloogid viia siiski Portugali, kus leiab aset 32. IBO.
Eesti õpilaste ettevalmistamist rahvusvahelisteks võistlusteks rahastab haridus- ja teadusministeerium ning korraldab TÜ teaduskool. Noori biolooge toetavad TÜ teaduskool, TÜ molekulaar- ja rakubioloogia instituut, TÜ genoomika instituut, Icosagen AS, MTÜ Loodusajakiri ja T-Style OÜ.
Sulev Kuuse ja Karl Jürgenstein, Eesti bioloogiaolümpiaadi žürii liikmed
Eesti võistkond ja juhendajad IBO Challenge 2020 avatseremoonia eel Tartu ülikooli genoomika instituudi peaukse ees (vasakult): Ando Vaan, Mari Remm, Uku-Laur Tali, Sofia Marlene Haug, Martin Rahe, Johan Tamm, Sulev Kuuse ja Karl Jürgenstei. FOTO: SULEV KUUSEEesti bioloogiavõistkond pusib olümpiaadi loomaanatoomia praktilise töö kallal (paremalt): Mari Remm, Johan Tamm, Martin Rahe ja Sofia Marlene Haug. FOTO: SULEV KUUSE
Ülar Allas: Superarvutid meil ja mujal
Aivar Kriiska ja Irina Hrustaljova: Eesti kunsti lätetel: kiviaegne keraamiline pisiplastika
Aimar Ventsel: Miks väikerahvad välja ei sure?
Madis Ratassepp ja Martin Lints: Ultraheli reedab materjalide nähtamatud vigastused
Intervjuu Jaan Kersiga: Puidu uus tulemine
Näitleja Ragne Pekarev endast ja teadusest
Piret Pappel: Kas looduslembus on pärilik?
Kapibaara kõhust pärit ensüüm tõotab abi keemiatööstusele
Udo Uibo sõnalugu: Kuu ja Päike
Ain Kallis: Ilm ja lennutransport
Andi Hektor ja Kristjan Kannike: W-bosoni ülekaal pakub peamurdmist
Edit Talpsepp: Organismi määratlemine
Ken Kalling: Silmamarjad
Taavi Pae: Eesti linnad ja nende vapid
Kadi Polli: Geoloogia ja maastikumaal: August Mattthias Hageni pildilised reisid Suursaarele
Martin Malve: Tallinna unustatud kalmistud: 17.-18. sajandi matmispaik kesklinna servas
Jüri Ivaski kosmosekroonika
Sulev Kuuse: Kas uus vana aeg bioloogiaolümpiaadil?
Jüri Allik luges Kermit Pattisoni raamatut “Fossil Men: The Quest for the Oldest Skeleton and Origins of Humankind”
Marek Tamm luges Jüri Alliku raamatut “Eesti psühholoogia lugu”
Tõnu Tõnso Enigma: Jagamistehete taastamine
Ristsõna ja Indrek Salise ja Jevgeni Nurmla mälusäru
Helen Rohtmets-Aasa: Rahvusülikool eksiilis: paguluse esimesed aastakümned
Sven Oras: Välgu taltsutamine osakestekiirendis
Kristiina Kaldas, Margus Lopp: Põlevkivikerogeen – keemiatööstuse tulevikutooraine
Aivar Kriiska: Ângkôr Kambodžas: UNESCO maailmapärand koroona ajal
Intervjuu Peeter Hõrakiga: Meditsiiniline pööre tegi inimese pikemaks ja targemaks
Perearst Karmen Joller endast ja teadusest
Piret Pappel: Kuidas loimurid taluvad veepuudust?
Erilised kopsurakud aitavad jaki mäe otsa
Udo Uibo: Krimmi sõda
Ain Kallis: Ilm ja rongiliiklus
Andi Hektor, Kristjan Kannike: Kui rasked võivad olla neutrontähed?
Edit Talpsepp: Loodusliku valiku ühikud ja mitmetasandiline evolutsioon
Ken Kalling: Pahal lapsel mitu nime
Anu Kannike: Tarvitage rohkem ja paremat piima! 1935. aasta piimanädala lööklaused Eesti Vabariigis
Ingrid Sahk: Kuidas taimed pildiks said?
Martin Malve: Varauusaegne Tallinn Tõnismäe eeslinna kalmistu
Jüri Ivaski Kosmosekroonika
Sulev Kuuse: Bioloogid Jerevanis 33. rahvusvahelisel bioloogiaolümpiaadil
Tõnu Tõnso Enigma: Veel kord trips-traps ilma trullita!
Indreks Salise ja Jevgeni Nurmla mälusäru.
Milline on olnud kunstnike roll teadmiste loomisel ja kujundamisel?
Kuidas on pildid suunanud meie teadmisi ja vastupidi, teadus mõjutanud kunsti arengut?
Selle üle arutlevad Eesti ajaloolased ja kunstiloolased Horisondi rubriigis “Teaduspilt”.
Sari jätkub ajakirja järgmistes numbrites.