Spørgsmål og svar:Står vi på randen af ​​en ny tidsalder med videnskabelig opdagelse?

I 2001 på Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, et anlæg, der bruges til forskning i nuklear og højenergifysik, videnskabsmænd, der eksperimenterede med en subatomær partikel kaldet en myon, stødte på noget uventet.

For at forklare de grundlæggende fysiske kræfter, der virker i universet og at forudsige resultaterne af højenergipartikeleksperimenter som dem, der blev udført i Brookhaven, Fermilab i Illinois, og ved CERNs Large Hadron Collider i Genève, Schweiz, fysikere stoler på den årtier gamle teori kaldet standardmodellen, hvilket skulle forklare myonernes præcise opførsel, når de affyres gennem et intenst magnetfelt skabt i en superledende magnetisk lagerring. Da myonen i Brookhaven-eksperimentet reagerede på en måde, der afveg fra deres forudsigelser, forskere indså, at de var på randen af ​​en opdagelse, der kunne ændre videnskabens forståelse af, hvordan universet fungerer.

Tidligere på måneden efter en årtier lang indsats, der involverede bygning af mere kraftfulde sensorer og forbedring af forskernes kapacitet til at behandle 120 terabyte data (svarende til 16 millioner digitale fotografier hver uge), et hold af videnskabsmænd ved Fermilab annoncerede de første resultater af et eksperiment kaldet Muon g-2, der tyder på, at Brookhaven-fundet ikke var nogen tilfældighed, og at videnskaben er på randen af ​​en hidtil uset opdagelse.

UVA-fysikprofessor Dinko Počanić har været involveret i Muon g-2-eksperimentet i mere end to årtier, og UVA Today talte med ham for at lære mere om, hvad det betyder.

Q. Hvad er resultaterne af Brookhaven og Fermilab Muon g-2 eksperimenterne, og hvorfor er de vigtige?

A. Så, i Brookhaven-eksperimentet, de foretog flere målinger med positive og negative myoner - en ustabil, mere massiv fætter til elektronen - under forskellige omstændigheder, og når de tog gennemsnittet af deres målinger, de kvantificerede en magnetisk anomali, der er karakteristisk for myonen mere præcist end nogensinde før. Ifølge relativistisk kvantemekanik, styrken af ​​myonens magnetiske moment (en egenskab, den deler med en kompasnål eller en stangmagnet) skal være to i passende dimensionsløse enheder, det samme som for en elektron. Standardmodellen siger, imidlertid, at det ikke er to, den er lidt større, og den forskel er den magnetiske anomali. Anomalien afspejler muonens kobling til stort set alle andre partikler, der findes i naturen. Hvordan er det muligt?

Svaret er, at selve rummet ikke er tomt; det, vi opfatter som et vakuum, indeholder muligheden for at skabe elementarpartikler, givet nok energi. Faktisk, disse potentielle partikler er utålmodige og er praktisk talt ophidsede, gnister i rummet i ufatteligt korte øjeblikke i tid. Og hvor flygtigt det end er, denne gnist "fornemmes" af en myon, og det påvirker subtilt myonens egenskaber. Dermed, den magnetiske muon-anomali giver en følsom sonde af det subatomare indhold af vakuumet.

Til den enorme frustration for alle praktiserende fysikere i min generation og yngre, Standardmodellen har været sindssygt uigennemtrængelig for udfordringer. Vi ved, at der er ting, der skal eksistere uden for det, fordi det ikke kan beskrive alt, hvad vi ved om universet og dets udvikling. For eksempel, det forklarer ikke udbredelsen af ​​stof over antistof i universet, og det siger ikke noget om mørkt stof eller mange andre ting, så vi ved, at det er ufuldstændigt. Og vi har prøvet meget hårdt på at forstå, hvad disse ting kan være, men vi har ikke fundet noget konkret endnu.

Så, med dette eksperiment, vi udfordrer standardmodellen med stigende præcisionsniveauer. Hvis standardmodellen er korrekt, vi bør observere en effekt, der er fuldstændig i overensstemmelse med modellen, fordi den inkluderer alle de mulige partikler, der menes at være til stede i naturen, men hvis vi ser en anden værdi for denne magnetiske anomali, det betyder, at der faktisk er noget andet. Og det er det, vi leder efter:dette noget andet.

Dette eksperiment fortæller os, at vi er på randen af ​​en opdagelse.

Q. Hvilken rolle har du været i stand til at spille i eksperimentet?

A. Jeg blev medlem af dette samarbejde, da vi lige var begyndt at planlægge opfølgningen på Brookhaven-eksperimentet omkring 2005, blot et par år efter at Brookhaven-eksperimentet sluttede, og vi kiggede på muligheden for at lave mere præcise målinger ved Brookhaven. Til sidst blev den idé opgivet, da det viste sig, at vi kunne gøre et meget bedre stykke arbejde hos Fermilab, som havde bedre bjælker, mere intense myoner og bedre betingelser for eksperimenter.

Så, vi foreslog, at omkring 2010, og det blev godkendt og finansieret af amerikanske og internationale finansieringsbureauer. En vigtig del blev finansieret af en National Science Foundation Major Research Instrumentation-bevilling, der blev tildelt et konsortium af fire universiteter, og UVA var en af ​​dem. Vi var ved at udvikle en del af instrumenteringen til påvisning af positroner, der opstår ved henfald af positive myoner. Vi afsluttede det arbejde, og det lykkedes, så min gruppe skiftede fokus til de præcise målinger af magnetfeltet i lagerringen på Fermilab, en kritisk del af kvantificeringen af ​​den magnetiske muon-anomali. Min UVA-fakultetskollega Stefan Baessler har også arbejdet på dette problem, og flere UVA-studerende og postdocs har været aktive på projektet gennem årene.

Q. Fermilab har meddelt, at dette blot er de første resultater af eksperimentet. Hvad skal der stadig ske, før vi ved, hvad denne opdagelse betyder?

A. Det afhænger af, hvordan resultaterne af vores analyse af de endnu ikke analyserede kørselssegmenter viser sig. Analysen af ​​den første kørsel tog omkring tre år. Løbet blev afsluttet i 2018, men jeg tror nu, hvor vi har løst nogle af problemerne i analysen, det kan gå lidt hurtigere. Så, om cirka to år ville det ikke være urimeligt at have det næste resultat, hvilket ville være en del mere præcist, fordi det kombinerer kørsler to og tre. Så kommer der endnu et løb, og vi er formentlig færdige med at tage data om yderligere to år eller deromkring. Den præcise afslutning af målingerne er stadig noget usikker, men jeg vil sige, at omkring fem år fra nu, måske før, vi burde have et meget klart billede.

Q. Hvilken slags indflydelse kan disse eksperimenter have på vores hverdag?

A. En måde er at skubbe specifikke teknologier til det yderste for at løse forskellige aspekter af måling for at opnå det præcisionsniveau, vi har brug for. Virkningen vil sandsynligvis komme inden for områder som fysik, industri og medicin. Der vil være tekniske spinoffs, eller i det mindste forbedringer i teknikker, men hvilke specifikke vil komme ud af dette, det er svært at forudsige. Som regel, vi presser virksomheder til at lave produkter, som vi har brug for, som de ellers ikke ville lave, og så åbner der sig et nyt felt for dem med hensyn til applikationer for disse produkter, og det er det, der ofte sker. World Wide Web blev opfundet, for eksempel, fordi forskere som os havde brug for at kunne udveksle information på en effektiv måde over store afstande, jorden rundt, virkelig, og sådan har vi det, godt, webbrowsere, Zoom, Amazon og alle disse typer ting i dag.

Den anden måde, vi drager fordel af, er ved at uddanne unge videnskabsmænd - hvoraf nogle vil fortsætte i den videnskabelige og akademiske karriere som jeg selv - men andre vil gå videre til forskellige indsatsområder i samfundet. De vil medbringe en ekspertise inden for måle- og analyseteknikker på meget højt niveau, som normalt ikke findes på mange områder.

Og så, endelig, et andet resultat er intellektuel forbedring. Et resultat af dette arbejde vil være at hjælpe os til bedre at forstå det univers, vi lever i.

Q. Kunne vi se flere opdagelser som denne i den nærmeste fremtid?

A. Ja, der er en hel klasse af eksperimenter udover denne, der ser på meget præcise test af standardmodellen på en række måder. Jeg bliver altid mindet om det gamle ordsprog, at hvis du mister dine nøgler på gaden sent om aftenen, du skal først lede efter dem under gadelygten, og det er det, vi gør. Så overalt er der en gadelygte, vi leder efter. Dette er et af de steder - og der er flere andre, godt, Jeg vil sige dusinvis af andre, hvis du også inkluderer søgninger, der foregår efter subatomære partikler som axioner, mørkt stof kandidater, eksotiske processer som dobbelt beta-henfald, og den slags ting. En af de dage, nye ting vil blive fundet.

Vi ved, at standardmodellen er ufuldstændig. Det er ikke forkert, for så vidt det går, men der er ting uden for det, som ikke inkorporerer, og vi finder dem.