Hvordan vi fandt antydninger af nye partikler eller naturkræfter - og hvorfor det kunne ændre fysik

For syv år siden, en enorm magnet blev transporteret over 3, 200 miles (5, 150 km) over land og hav, i håb om at studere en subatomær partikel kaldet en muon.

Muoner er nært beslægtede med elektroner, som kredser hvert atom og danner byggestenene i stof. Elektronen og muon har begge egenskaber præcist forudsagt af vores nuværende bedste videnskabelige teori, der beskriver det subatomære, kvanteverden, standardmodellen for partikelfysik.

En hel generation af forskere har dedikeret sig til at måle disse egenskaber i udsøgte detaljer. I 2001, et eksperiment antydede, at en egenskab af muon ikke var nøjagtig som standardmodellen forudsagde, men nye undersøgelser var nødvendige for at bekræfte. Fysikere flyttede en del af forsøget til en ny accelerator, på Fermilab, og begyndte at tage flere data.

En ny måling har nu bekræftet det første resultat. Det betyder, at der kan eksistere nye partikler eller kræfter, som ikke er medregnet i standardmodellen. Hvis dette er tilfældet, fysikkens love skal revideres, og ingen ved, hvor det kan føre hen.

Dette seneste resultat stammer fra et internationalt samarbejde, som vi begge er en del af. Vores team har brugt partikelacceleratorer til at måle en egenskab kaldet muons magnetiske moment.

Hver muon opfører sig som en lille stangmagnet, når den udsættes for et magnetfelt, en effekt kaldet det magnetiske moment. Muons har også en iboende egenskab kaldet "spin, "og forholdet mellem spin og det magnetiske moment for muonen er kendt som g-faktoren. Elektronens og muons" g "forudsiges at være to, så g minus to (g-2) skal måles til at være nul. Det er det, vi tester på Fermilab.

Til disse tests, forskere har brugt acceleratorer, den samme slags teknologi, Cern bruger på LHC. Fermilab -acceleratoren producerer muoner i meget store mængder og måler, meget præcist, hvordan de interagerer med et magnetfelt.

Muons adfærd er påvirket af "virtuelle partikler", der springer ind og ud af eksistens fra vakuumet. Disse findes flygtigt, men længe nok til at påvirke, hvordan muonen interagerer med magnetfeltet og ændre det målte magnetiske moment, om end med en lille mængde.

Standardmodellen forudsiger meget præcist, til bedre end en del i en million, hvad denne effekt er. Så længe vi ved, hvilke partikler der bobler ind og ud af vakuumet, eksperiment og teori skal matche. Men, hvis eksperiment og teori ikke stemmer overens, vores forståelse af suppen af ​​virtuelle partikler kan være ufuldstændig.

Nye partikler

Muligheden for at nye partikler eksisterer er ikke tom spekulation. Sådanne partikler kan hjælpe med at forklare flere af de store problemer inden for fysik. Hvorfor, for eksempel, har universet så meget mørkt stof-hvilket får galakserne til at rotere hurtigere, end vi ville forvente-og hvorfor er næsten alt det anti-stof, der blev skabt i Big Bang, forsvundet?

Problemet til dato har været, at ingen har set nogen af ​​disse foreslåede nye partikler. Det var håbet, at LHC i Cern ville producere dem i kollisioner mellem protoner med høj energi, men de er endnu ikke blevet observeret.

Den nye måling brugte den samme teknik som et forsøg på "Brookhaven National Laboratory i New York, i begyndelsen af ​​århundredet, som selv fulgte en række målinger ved Cern.

Brookhaven -eksperimentet målte en uoverensstemmelse med standardmodellen, der havde en ud af 5, 000 chance for at være en statistisk tilfældighed. Dette er omtrent den samme sandsynlighed som at smide en mønt 12 gange i træk, alle med hovedet op.

Dette var pirrende, men langt under tærsklen til opdagelse, som generelt kræves at være bedre end en ud af 1,7 millioner - eller 21 møntkast i træk. For at afgøre, om ny fysik var i spil, forskere skulle øge eksperimentets følsomhed med en faktor fire.

For at foretage den forbedrede måling, magneten i hjertet af forsøget skulle flyttes i 2013 3, 200 miles fra Long Island langs havet og vejen, til Fermilab, uden for Chicago, hvis acceleratorer kunne producere en rig kilde til muoner.

Når den er på plads, et nyt eksperiment blev bygget omkring magneten med topmoderne detektorer og udstyr. Muon g-2-eksperimentet begyndte at tage data i 2017, med et samarbejde mellem veteraner fra Brookhaven -eksperimentet og en ny generation af fysikere.

De nye resultater, fra det første dataår på Fermilab, er i overensstemmelse med målingen fra Brookhaven -eksperimentet. Kombination af resultater forstærker sagen om en uenighed mellem eksperimentel måling og standardmodellen. Chancerne ligger nu på omkring en ud af 40, 000 af uoverensstemmelsen er en tilfældighed - stadig genert for guldstandardens opdagelsestærskel.

LHC

Spændende nok, en nylig observation af LHCb -eksperimentet i Cern fandt også mulige afvigelser fra standardmodellen. Det spændende er, at dette også refererer til egenskaberne ved muoner. Denne gang er det en forskel i, hvordan muoner og elektroner fremstilles af tungere partikler. De to satser forventes at være de samme i standardmodellen, men den eksperimentelle måling viste, at de var forskellige.

Taget sammen, LHCb- og Fermilab -resultaterne styrker sagen om, at vi har observeret det første bevis på, at standardmodelforudsigelsen mislykkedes, og at der er nye partikler eller kræfter i naturen derude, der skal opdages.

For den ultimative bekræftelse, dette har brug for flere data både fra Fermilab muon -eksperimentet og fra Cern's LHCb -eksperiment. Resultater vil komme i løbet af de næste par år. Fermilab har allerede fire gange flere data, end der blev brugt i dette nylige resultat, i øjeblikket analyseres, Cern er begyndt at tage flere data, og en ny generation af muon -eksperimenter er ved at blive bygget. Dette er en spændende æra for fysik.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.