Hvad Muon g-2-resultaterne betyder for, hvordan vi forstår universet

Nyheden om, at muoner har lidt ekstra vrikke i deres skridt, sendte ord summende rundt i verden i foråret.

Muon g-2-eksperimentet, der var vært på Fermi National Accelerator Laboratory, meddelte 7. april, at de havde målt en partikel kaldet en muon, der opførte sig lidt anderledes end forudsagt i deres kæmpe accelerator. Det var den første uventede nyhed inden for partikelfysik i år.

Alle er spændte, men få mere end forskerne, hvis opgave det er at spytte kugleteorier om, hvordan universet er sat sammen. For disse teoretikere, meddelelsen får dem til at støve gamle teorier af og spekulere i nye.

"For mange af os, det ligner og lugter af ny fysik, "sagde prof. Dan Hooper." Det kan være, at vi en dag ser tilbage på dette, og dette resultat ses som en varsel. "

Gordan Krnjaic, en teoretisk fysiker, enige:"Det er et godt tidspunkt at være spekulant."

De to forskere er tilknyttet University of Chicago og Fermilab; ingen arbejdede direkte på Muon g-2-eksperimentet, men begge var begejstrede over resultaterne. Til dem, disse fund kunne være et fingerpeg, der peger på vejen til at opklare de sidste mysterier i partikelfysikken - og med det, vores forståelse af universet som helhed.

Indstilling af standarden

Problemet var, at alt gik som forventet.

Baseret på århundredgamle eksperimenter og teorier, der går tilbage til Albert Einsteins tidlige forskning, forskere har skitseret en teori om, hvordan universet - fra dets mindste partikler til dets største kræfter - er sat sammen. Denne forklaring, kaldet standardmodellen, gør et ret godt stykke arbejde med at forbinde prikkerne. Men der er et par huller - ting vi har set i universet, der ikke er redegjort for i modellen, som mørkt stof.

Intet problem, troede forskere. De byggede større eksperimenter, ligesom Large Hadron Collider i Europa, at undersøge de mest grundlæggende egenskaber ved partikler, sikker på at dette ville give spor. Men selvom de så dybere, intet de fandt syntes at være ude af trit med standardmodellen. Uden nye muligheder for at undersøge, videnskabsfolk anede ikke, hvor og hvordan de skulle lede efter forklaringer på uoverensstemmelser som mørkt stof.

Derefter, endelig, resultaterne af Muon g-2-eksperimentet kom fra Fermilab (som er tilknyttet University of Chicago). Eksperimentet rapporterede en lille forskel mellem, hvordan muoner skal opføre sig i henhold til standardmodellen, og hvad de egentlig lavede inde i den gigantiske accelerator.

Murmurs brød ud rundt om i verden, og Hooper's sind, Krnjaic og deres kolleger i teoretisk fysik begyndte at køre løb. Næsten enhver forklaring på en ny rynke i partikelfysik ville have dybtgående konsekvenser for universets historie.

Det er fordi de mindste partikler påvirker de største kræfter i universet. De små forskelle i masserne af hver partikel påvirker den måde, universet ekspanderede og udviklede sig efter Big Bang. På tur, der påvirker alt lige fra hvordan galakser holdes sammen til selve sagens natur. Derfor vil forskere præcist måle, hvordan sommerfuglen klappede med vingerne.

De sandsynlige mistænkte

Indtil nu, der er tre mulige forklaringer på Muon g-2-resultaterne-hvis det virkelig er ny fysik og ikke en fejl.

Den ene er en teori kendt som "supersymmetri, "som var meget moderigtigt i begyndelsen af ​​2000'erne, Sagde Hooper. Supersymmetri tyder på, at hver subatomære partikel har en partnerpartikel. Det er attraktivt for fysikere, fordi det er en overordnet teori, der forklarer flere uoverensstemmelser, herunder mørkt stof; men Large Hadron Collider har ikke set noget bevis for disse ekstra partikler. Endnu.

En anden mulighed er, at nogle uopdagede, relativt tung form for stof interagerer stærkt med muoner.

Endelig, der kunne også eksistere nogle andre former for eksotiske lyspartikler, endnu uopdaget, der interagerer svagt med muoner og forårsager vaklen. Krnjaic og Hooper skrev et papir om, hvad sådan en let partikel, som de kaldte "Z prime, "kan betyde for universet.

"Disse partikler skulle have eksisteret siden Big Bang, og det ville betyde andre konsekvenser - f.eks. de kunne have indflydelse på, hvor hurtigt universet ekspanderede i sine første øjeblikke, "Sagde Krnjaic.

Det kan stemme overens med et andet mysterium, som forskere overvejer, kaldes Hubble -konstanten. Det tal formodes at angive, hvor hurtigt universet ekspanderer, men det varierer lidt efter hvilken måde du måler det på - en uoverensstemmelse, der kan indikere et manglende stykke i vores viden.

Der er andre, yderligere muligheder såsom at muonerne bliver stødt af partikler, der blinker ind og ud af eksistens fra andre dimensioner. ("En ting, partikelfysikere sjældent beskyldes for, er mangel på kreativitet, "sagde Hooper.)

Men forskerne sagde, at det er vigtigt ikke at afvise teorier ud af hånden, uanset hvor vilde de måtte lyde.

"Vi vil ikke overse noget, bare fordi det lød underligt, "sagde Hooper." Vi forsøger konstant at ryste træerne for at få enhver idé, vi kan derude. Vi vil jage det her overalt, hvor det kan gemme sig. "

Sigma træder

Det første skridt, imidlertid, er at bekræfte, at Muon g-2-resultatet er sandt. Forskere har et system til at fortælle, om resultaterne af et eksperiment er reelle og ikke kun et blik i dataene. Resultatet annonceret i april nåede 4,2 sigma; benchmarket, der betyder, at det næsten helt sikkert er rigtigt, er 5 sigma.

"Hvis det virkelig er en ny fysik, vi vil være meget tættere på at vide om et år eller to, "sagde Hooper. Muon g-2-eksperimentet har meget flere data at sile igennem. I mellemtiden har resultaterne af nogle meget komplicerede teoretiske beregninger - så komplekse, at selv de mest magtfulde supercomputere i verden har brug for at tygge på dem i måneder til år - skulle komme ned på gedden.

Disse resultater, hvis de når et konfidensniveau på 5 sigma, vil pege forskere på, hvor de skal gå næste gang. For eksempel, Krnjaic hjalp med at foreslå et Fermilab -program kaldet M3, der kunne indsnævre mulighederne ved at affyre en stråle af muoner mod et metalmål - måle energien før og efter muonerne ramte. Disse resultater kunne indikere tilstedeværelsen af ​​en ny partikel.

I mellemtiden, ved den fransk-schweiziske grænse, Large Hadron Collider er planlagt til at opgradere til en højere lysstyrke, der vil producere flere kollisioner. Nyt bevis for partikler eller andre fænomener kan dukke op i deres data.

Al denne spænding over en vaklen kan virke som en overreaktion. Men små uoverensstemmelser kan og har, førte til massive rystelser. Tilbage i 1850'erne, astronomer, der foretog målinger af Merkurius bane, lagde mærke til, at den var lidt væk fra, hvad Newtons tyngdekraftsteori ville forudsige. "Den anomali, sammen med andre beviser, til sidst førte os til teorien om generel relativitetsteori, "sagde Hooper.

"Ingen vidste, hvad det handlede om, men det fik folk til at tænke og eksperimentere. Mit håb er, at vi en dag vil se tilbage på dette muon -resultat på samme måde. "