Muoner:De subatomære partikler ryster fysikkens verden op

Vigtige ting

• Muoner er elementarpartikler, der ligner elektroner, men med større masse.
• De er skabt naturligt i kosmiske stråler og spiller en afgørende rolle i partikelfysiske eksperimenter.
• Muoner har unikke egenskaber, der gør dem nyttige til at studere grundlæggende fysikkoncepter.

Hvad er omkring 200 gange massen af ​​en elektron, eksisterer i omkring 2 milliontedele af et sekund, rammer konstant hver tomme af Jordens overflade og ser ud til at opføre sig på en måde, der stikker hul i længe accepterede fysiklove?

Det ville være myonen, en partikel, der først blev opdaget i slutningen af ​​1930'erne, og som dannes i naturen, når kosmiske stråler rammer partikler i vores planets atmosfære. Muoner passerer gennem dig og alt omkring dig med en hastighed tæt på lysets. Ikke desto mindre var mange af os sandsynligvis ikke engang klar over deres eksistens før april 2021, hvor partiklen skabte nyhedsoverskrifterne, efter at forskere ved den amerikanske regerings Fermi National Accelerator Laboratory - mere almindeligt kendt som Fermilab - offentliggjorde de første resultater for et treårigt laboratorium. -langt Muon g-2 eksperiment.

Fermilab-undersøgelsen bekræftede tidligere resultater om, at myonen opfører sig på en måde, der er i modstrid med Standard Model of Particle Physics, den teoretiske ramme, der har til formål at beskrive, hvordan virkeligheden fungerer på det mindste niveau. Som denne artikel i Science forklarer, er myoner - som findes i et hav af andre små partikler og antipartikler, der påvirker dem - faktisk lidt mere magnetiske, end standardmodellen ville forudsige. Det peger igen på den mulige eksistens af andre, stadig ukendte partikler eller kræfter.

Som en af ​​forskerne, fysikeren Jason Bono, forklarede i en pressemeddelelse fra hans alma mater Florida International University, vidste holdet, at hvis de bekræftede uoverensstemmelsen i muonernes magnetisme, "ville vi ikke vide præcis, hvad der forårsagede det, men vi ville vide, at det er noget, vi ikke forstår endnu."

De indledende resultater, sammen med anden nyere partikelforskning, kunne hjælpe med at bygge sagen for en ny fysik, der ville erstatte standardmodellen. Fra Fermilab, her er en YouTube-video, der forklarer resultaterne og deres betydning:

"Muoner er som elektroner undtagen 200 gange tungere," forklarer Mark B. Wise i et e-mailinterview. Han er professor i højenergifysik ved California Institute of Technology og medlem af det prestigefyldte National Academy of Sciences. (Hvis det ikke imponerer dig tilstrækkeligt, tjente han også som teknisk konsulent for partikelacceleratorer til Hollywood-filmen "Iron Man 2" fra 2010).

"Ifølge Einsteins formel E=mc2 betyder det, at myoner i hvile har større energi end elektroner," siger Wise. "Dette giver dem mulighed for at henfalde til lettere partikler, mens de stadig sparer energi generelt."

En anden vigtig forskel er, at elektroner menes at være temmelig tæt på udødelige, men myoner eksisterer kun i 2,2 milliontedele af et sekund, før de henfalder til en elektron og to slags neutrinoer, ifølge denne US Department of Energy primer på partiklen.

De myoner, der konstant bliver skabt, når kosmiske stråler rammer partikler i Jordens atmosfære, rejser forbløffende afstande i deres korte eksistens og bevæger sig tæt på lysets hastighed. De rammer hver tomme af Jordens overflade og passerer gennem næsten alt i deres umiddelbare vej, hvilket potentielt trænger en kilometer eller mere ind i Jordens overflade, ifølge DOE.

Nogle har beskrevet muoner som nøglen til at forstå alle subatomære partikler, selvom Wise ikke går ret langt. "I søgen efter fysik ud over vores nuværende forståelse bør du studere alle partikler," siger han. "Muonen har dog nogle fordele. For eksempel er dens unormale magnetiske moment meget præcist forudsagt, hvilket gør den mere følsom over for ny fysik, ud over vores nuværende teori, der ville ændre denne forudsigelse. Samtidig kan den måles meget præcist."

At studere muoner er dog ikke en enkel sag. Fermilab bruger en 700-tons (635 tons) enhed indeholdende tre ringe, hver 50 fod (15 meter) i diameter, der blev sendt med pram og lastbil til Illinois fra dets oprindelige hjem i Brookhaven National Laboratory i New York for nogle år. tilbage. Enheden er i stand til at generere et magnetfelt på 1,45 Tesla, cirka 30.000 gange det af Jordens magnetfelt.

"Det er fascinerende, at for at studere noget så lille og kortvarigt, har de brug for disse enorme stykker udstyr," forklarer Wise. "Når de produceres ved høj energi, rejser de næsten med lysets hastighed og kan rejse en rimelig afstand, før de henfalder. Så du kan kigge efter beviserne, de efterlader i en detektor."

For eksempel, da myoner er ladede partikler, kan de ionisere det stof, de passerer igennem. De elektroner, der produceres ved denne ionisering, kan detekteres, ifølge Wise.

Wise siger, at Fermilab-holdets nylige opdagelse af, at partiklen er lidt mere magnetisk, end fysikere forventede, er signifikant. "Den er uenig med de nuværende teoriers forudsigelse for det magnetiske muon-moment (den nuværende teori kaldes normalt standardmodellen). Så der er noget ny fysik ud over det i vores nuværende teori, der er til stede og ændrer forudsigelsen for denne mængde," Wise siger

Som mange vigtige opdagelser rejser Fermilabs fund flere nye spørgsmål, og der er meget, som forskerne stadig ønsker at vide om myonen.

"Hvad er den nye fysik, er spørgsmålet, det rejser," siger Wise. "Der er også nogle andre anomalier, som ikke er forklaret i [Standardmodellen], som involverer muoner. Er de alle forbundet på en eller anden måde?"

Wise lyder også som en advarsel om Fermilab-fundene. "Det kan være, at der er en eller anden systematisk effekt i eksperimentet, som ikke er forstået og påvirker fortolkningen af ​​målingen," forklarer han. "Tilsvarende for teorien. Så denne anomali kan i sidste ende forsvinde. Det er meget vigtigt at tjekke sådanne ting så meget som muligt."

Nu er det interessant

Som Fermilab-fysiker Chris Polly bemærker i dette essay fra 2020, er hver partikel i universet - selv i de dybeste, mest tilsyneladende tomme vidder af rummet - omgivet af et "omløb" af andre partikler, som konstant "blinker ind og ud af eksistensen. "

Ofte stillede spørgsmål

Hvordan opdages og måles myoner i videnskabelige eksperimenter?

Muoner detekteres og måles ved hjælp af scintillatorer, fotografiske emulsioner eller partikelacceleratorer, som fanger og analyserer myoners interaktion med stof.

Hvad er nogle potentielle anvendelser af myon-billedteknologi ud over videnskabelig forskning?

Muon-billedteknologi kan non-invasivt scanne og visualisere indre strukturer af objekter, detektere skjulte kamre i arkæologiske steder eller geologiske formationer og identificere materialer eller stoffer skjult i last eller containere, hvilket tilbyder innovative løsninger til udforskning, sikkerhed og miljøovervågning.