Superpræcis Fermilab-eksperiment, der omhyggeligt analyserer muonernes magnetiske moment

Moderne fysik er fuld af den slags snoede, puslespil-i-et-puslespil-plot, du finder i en klassisk detektivhistorie:Både fysikere og detektiver skal omhyggeligt adskille vigtige spor fra ikke-relateret information. Både fysikere og detektiver må nogle gange skubbe ud over den åbenlyse forklaring for fuldt ud at afsløre, hvad der foregår.

Og for både fysikere og detektiver, betydningsfulde opdagelser kan afhænge af udledninger på Sherlock Holmes-niveau baseret på beviser, der er lette at overse. Eksempel:Muon g-2-eksperimentet, der i øjeblikket er i gang ved det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory.

Det nuværende Muon g-2 (udtales "g minus to") eksperiment er faktisk en efterfølger, et eksperiment designet til at genoverveje en lille uoverensstemmelse mellem teori og resultaterne fra et tidligere eksperiment ved Brookhaven National Laboratory, som også blev kaldt Muon g-2.

Uoverensstemmelsen kan være et tegn på, at ny fysik er på vej. Forskere vil gerne vide, om målingen holder... eller om det ikke er andet end en rød sild.

Fermilab Muon g-2-samarbejdet har annonceret, at det vil præsentere sit første resultat den 7. april. Indtil da, lad os pakke sagens fakta ud.

Det mystiske magnetiske øjeblik

Alt spinder, ladede objekter - inklusive myoner og deres bedre kendte partikelsøskende, elektroner - genererer deres egne magnetfelter. Styrken af ​​en partikels magnetfelt omtales som dens "magnetiske moment" eller dens "g-faktor". (Det er, hvad "g"-delen af ​​"g-2" refererer til.)

For at forstå "-2"-delen af ​​"g-2, "Vi skal rejse lidt tilbage i tiden.

Spektroskopi-eksperimenter i 1920'erne (før opdagelsen af ​​myoner i 1936) afslørede, at elektronen har et iboende spin og et magnetisk moment. Værdien af ​​det magnetiske øjeblik, g, blev eksperimentelt fundet til at være 2. Hvad angår hvorfor det var værdien - det mysterium blev hurtigt løst ved hjælp af det nye, men hurtigt voksende felt inden for kvantemekanik.

I 1928, fysiker Paul Dirac – der bygger på arbejdet fra Llewelyn Thomas og andre – producerede en nu berømt ligning, der kombinerede kvantemekanik og speciel relativitet til nøjagtigt at beskrive bevægelsen og elektromagnetiske interaktioner mellem elektroner og alle andre partikler med det samme spin-kvantetal. Dirac-ligningen, som inkorporerede spin som en grundlæggende del af teorien, forudsagde at g skulle være lig med 2, præcis hvad forskerne havde målt på det tidspunkt.

Men efterhånden som eksperimenterne blev mere præcise i 1940'erne, nye beviser kom frem, som genåbnede sagen og førte til overraskende ny indsigt om kvanteriget.

En sammensværgelse af partikler

elektronen, det viste sig, havde en lille smule ekstra magnetisme, som Diracs ligning ikke tog højde for. Den ekstra magnetisme, matematisk udtrykt som "g-2" (eller den mængde, som g afviger fra Diracs forudsigelse), er kendt som det "anomale magnetiske øjeblik". For en stund, videnskabsmænd vidste ikke, hvad der forårsagede det.

Hvis dette var en mordgåde, det unormale magnetiske øjeblik ville være lidt som et ekstra fingeraftryk af ukendt herkomst på en kniv, der blev brugt til at stikke et offer – en lille, men mistænkelig detalje, der berettiger yderligere efterforskning og kunne afsløre en helt ny dimension af historien.

Fysiker Julian Schwinger forklarede anomalien i 1947 ved at teoretisere, at elektronen kunne udsende og derefter reabsorbere en "virtuel foton." Den flygtige interaktion ville øge elektronens indre magnetisme lidt med en tiendedel procent, mængden, der er nødvendig for at bringe den forudsagte værdi i overensstemmelse med de eksperimentelle beviser. Men fotonen er ikke den eneste medskyldige.

Over tid, forskere opdagede, at der var et omfattende netværk af "virtuelle partikler", der konstant poppede ind og ud af eksistensen fra kvantevakuumet. Det var det, der havde rodet med elektronens lille roterende magnet.

Det unormale magnetiske moment repræsenterer den samtidige kombinerede indflydelse af enhver mulig effekt af disse flygtige kvantekonspiratorer på elektronen. Nogle interaktioner er mere tilbøjelige til at forekomme, eller føles stærkere end andre, og de yder derfor et større bidrag. Men hver partikel og kraft i standardmodellen deltager.

De teoretiske modeller, der beskriver disse virtuelle interaktioner, har været ganske vellykkede med at beskrive elektronernes magnetisme. For elektronens g-2, teoretiske beregninger er nu i så tæt overensstemmelse med den eksperimentelle værdi, at det er som at måle Jordens omkreds med en nøjagtighed, der er mindre end bredden af ​​et enkelt menneskehår.

Alle beviser peger på kvantefortræd begået af kendte partikler, der forårsager magnetiske anomalier. Sag lukket, ret?

Ikke helt. Det er nu tid til at høre myonens side af historien.

Ikke et hår malplaceret - eller er der?

Tidlige målinger af myonens unormale magnetiske øjeblik ved Columbia University i 1950'erne og på det europæiske fysiklaboratorium CERN i 1960'erne og 1970'erne stemte godt overens med teoretiske forudsigelser. Målingens usikkerhed faldt fra 2 % i 1961 til 0,0007 % i 1979. Det så ud som om, at den samme sammensværgelse af partikler, der påvirkede elektronens g-2, også var ansvarlig for myonens magnetiske moment.

Men derefter, i 2001, Brookhaven Muon g-2-eksperimentet viste noget mærkeligt. Forsøget var designet til at øge præcisionen fra CERN-målingerne og se på den svage krafts bidrag til anomalien. Det lykkedes at skrumpe fejlstængerne til en halv del per million. Men det viste også en lille uoverensstemmelse - mindre end 3 dele pr. million - mellem den nye måling og den teoretiske værdi. Denne gang, teoretikere kunne ikke finde på en måde at genberegne deres modeller for at forklare det. Intet i standardmodellen kunne forklare forskellen.

Det var det fysiske mysterium svarende til et enkelt hår fundet på et gerningssted med DNA, der ikke så ud til at matche nogen med forbindelse til sagen. Spørgsmålet var – og er stadig – om tilstedeværelsen af ​​håret bare er en tilfældighed, eller om det faktisk er et vigtigt spor.

Fysikere undersøger nu dette "hår" på Fermilab, med støtte fra DOE Office of Science, National Science Foundation og flere internationale agenturer i Italien, England, EU, Kina, Korea og Tyskland.

I det nye Muon g-2 eksperiment, en stråle af myoner - deres spins peger alle i samme retning - skydes ind i en type accelerator kaldet en lagerring. Ringens stærke magnetfelt holder myonerne på en veldefineret cirkulær bane. Hvis g var præcis 2, så ville myonernes spin følge deres momentum nøjagtigt. Men, på grund af det unormale magnetiske moment, myonerne har en lille yderligere slingre i rotationen af ​​deres spins.

Når en myon henfalder til en elektron og to neutrinoer, elektronen har en tendens til at skyde af i den retning, som myonens spin pegede. Detektorer på indersiden af ​​ringen opfanger en del af elektronerne slynget af myoner, der oplever slingren. Registrering af antallet og energierne af elektroner, de opdager over tid, vil fortælle forskerne, hvor meget myonspinden har roteret.

Ved at bruge den samme magnet fra Brookhaven-eksperimentet med væsentligt bedre instrumentering, plus en mere intens stråle af myoner produceret af Fermilabs acceleratorkompleks, forskere indsamler 21 gange flere data for at opnå fire gange større præcision.

Forsøget kan bekræfte eksistensen af ​​uoverensstemmelsen; det kan ikke finde nogen uoverensstemmelse overhovedet, peger på et problem med Brookhaven-resultatet; eller det kan finde noget imellem, efterlader sagen uopklaret.

Søger kvanteunderverdenen

Der er grund til at tro, at der foregår noget, som standardmodellen ikke har fortalt os om.

Standardmodellen er en bemærkelsesværdig konsekvent forklaring på stort set alt, hvad der foregår i den subatomære verden. Men der er stadig en række uløste mysterier i fysikken, som den ikke adresserer.

Mørkt stof, for eksempel, udgør omkring 27% af universet. Og stadigvæk, videnskabsmænd har stadig ingen idé om, hvad det er lavet af. Ingen af ​​de kendte partikler ser ud til at passe til regningen. Standardmodellen kan heller ikke forklare massen af ​​Higgs bosonen, hvilket er overraskende lille. Hvis Fermilab Muon g-2-eksperimentet fastslår, at noget ud over standardmodellen - for eksempel en ukendt partikel - målerbart roder med myonens magnetiske moment, det kan pege forskere i den rigtige retning at lukke endnu en af ​​disse åbne filer.

En bekræftet uoverensstemmelse vil faktisk ikke give detaljer på DNA-niveau om, hvilken partikel eller kraft der gør dens tilstedeværelse kendt, men det vil hjælpe med at indsnævre de områder af masse og interaktionsstyrke, hvor fremtidige eksperimenter med størst sandsynlighed vil finde noget nyt. Selvom uoverensstemmelsen forsvinder, dataene vil stadig være nyttige til at beslutte, hvor man skal lede.

Det kan være, at en skyggefuld kvantefigur, der lurer ud over Standardmodellen, er for godt skjult til, at den nuværende teknologi kan opdage. Men hvis det ikke er, fysikere vil efterlade ingen sten uvendt og intet spor af beviser u-analyseret, indtil de slår sagen op.

Denne historie om Muon g-2-eksperimentet blev oprindeligt offentliggjort i Symmetry.