De moderne natuurkunde zit vol met het soort bochtige, puzzel-in-een-puzzel-plots die je zou vinden in een klassiek detectiveverhaal:zowel natuurkundigen als detectives moeten belangrijke aanwijzingen zorgvuldig scheiden van niet-gerelateerde informatie. Zowel natuurkundigen als rechercheurs moeten soms verder gaan dan de voor de hand liggende verklaring om volledig te onthullen wat er aan de hand is.

En voor zowel natuurkundigen als rechercheurs, gewichtige ontdekkingen kunnen afhangen van deducties op Sherlock Holmes-niveau, gebaseerd op bewijs dat gemakkelijk over het hoofd wordt gezien. Voorbeeld:het Muon g-2-experiment dat momenteel aan de gang is in het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Het huidige Muon g-2 (uitgesproken als "g minus twee") experiment is eigenlijk een vervolg, een experiment dat is ontworpen om een ​​kleine discrepantie tussen de theorie en de resultaten van een eerder experiment in het Brookhaven National Laboratory opnieuw te onderzoeken, die ook wel Muon g-2 werd genoemd.

De discrepantie kan een teken zijn dat er nieuwe fysica op komst is. Wetenschappers willen weten of de meting standhoudt... of dat het niets anders is dan een rode haring.

De Fermilab Muon g-2-samenwerking heeft aangekondigd dat het zijn eerste resultaat op 7 april zal presenteren. laten we de feiten van de zaak uitpakken.

Het mysterieuze magnetische moment

Allemaal draaiend, geladen objecten - inclusief muonen en hun bekendere deeltjesbroers, elektronen - genereren hun eigen magnetische velden. De sterkte van het magnetische veld van een deeltje wordt het "magnetische moment" of de "g-factor" genoemd. (Dat is waar het "g"-gedeelte van "g-2" naar verwijst.)

Om het "-2" deel van "g-2" te begrijpen, "We moeten een stukje terug in de tijd reizen.

Spectroscopie-experimenten in de jaren twintig (vóór de ontdekking van muonen in 1936) onthulden dat het elektron een intrinsieke spin en een magnetisch moment heeft. De waarde van dat magnetische moment, G, werd experimenteel gevonden als 2. Wat betreft waarom dat de waarde was - dat mysterie werd snel opgelost met behulp van het nieuwe maar snelgroeiende veld van de kwantummechanica.

1928, natuurkundige Paul Dirac - voortbouwend op het werk van Llewelyn Thomas en anderen - produceerde een nu beroemde vergelijking die kwantummechanica en speciale relativiteit combineerde om de beweging en elektromagnetische interacties van elektronen en alle andere deeltjes met hetzelfde spinkwantumgetal nauwkeurig te beschrijven. De Dirac-vergelijking, waarin spin als een fundamenteel onderdeel van de theorie werd opgenomen, voorspelde dat g gelijk zou moeten zijn aan 2, precies wat wetenschappers destijds hadden gemeten.

Maar toen experimenten in de jaren veertig nauwkeuriger werden, er kwam nieuw bewijs aan het licht dat de zaak heropende en leidde tot verrassende nieuwe inzichten over het kwantumrijk.

Een samenzwering van deeltjes

het elektron, het bleek, had een beetje extra magnetisme waar de vergelijking van Dirac geen rekening mee hield. Dat extra magnetisme, wiskundig uitgedrukt als "g-2" (of het bedrag dat g verschilt van de voorspelling van Dirac), staat bekend als het 'abnormale magnetische moment'. Voor een poosje, wetenschappers wisten niet wat de oorzaak was.

Als dit een moordmysterie was, het abnormale magnetische moment zou een soort extra vingerafdruk van onbekende herkomst zijn op een mes dat werd gebruikt om een ​​slachtoffer te steken - een klein maar verdacht detail dat verder onderzoek rechtvaardigt en een geheel nieuwe dimensie van het verhaal zou kunnen onthullen.

Natuurkundige Julian Schwinger verklaarde de anomalie in 1947 door te theoretiseren dat het elektron een 'virtueel foton' zou kunnen uitzenden en vervolgens opnieuw zou absorberen. De vluchtige interactie zou het interne magnetisme van het elektron met een tiende procent verhogen, de hoeveelheid die nodig is om de voorspelde waarde in overeenstemming te brengen met het experimentele bewijs. Maar het foton is niet de enige handlanger.

Overuren, onderzoekers ontdekten dat er een uitgebreid netwerk was van 'virtuele deeltjes' die constant in en uit het kwantumvacuüm opduiken. Dat was wat er met de kleine draaiende magneet van het elektron aan het knoeien was.

Het afwijkende magnetische moment vertegenwoordigt de gelijktijdige gecombineerde invloed van elk mogelijk effect van die kortstondige kwantumsamenzweerders op het elektron. Sommige interacties komen vaker voor, of sterker worden gevoeld dan anderen, en zij leveren daardoor een grotere bijdrage. Maar elk deeltje en elke kracht in het Standaardmodel doet mee.

De theoretische modellen die deze virtuele interacties beschrijven, zijn behoorlijk succesvol geweest in het beschrijven van het magnetisme van elektronen. Voor de g-2 van het elektron, theoretische berekeningen komen nu zo nauw overeen met de experimentele waarde dat het lijkt op het meten van de omtrek van de aarde met een nauwkeurigheid die kleiner is dan de breedte van een enkele mensenhaar.

Al het bewijs wijst op kwantumonheil gepleegd door bekende deeltjes die magnetische anomalieën veroorzaken. Zaak gesloten, Rechtsaf?

Niet helemaal. Het is nu tijd om de kant van het verhaal van de muon te horen.

Geen haar misplaatst - of toch?

Vroege metingen van het afwijkende magnetische moment van het muon aan de Columbia University in de jaren vijftig en aan het Europese natuurkundig laboratorium CERN in de jaren zestig en zeventig kwamen goed overeen met theoretische voorspellingen. De onzekerheid van de meting kromp van 2% in 1961 tot 0,0007% in 1979. Het leek alsof dezelfde samenzwering van deeltjes die de g-2 van het elektron beïnvloedde, ook verantwoordelijk was voor het magnetische moment van het muon.

Maar dan, in 2001, het Brookhaven Muon g-2-experiment leverde iets vreemds op. Het experiment was bedoeld om de precisie van de CERN-metingen te vergroten en te kijken naar de bijdrage van de zwakke kracht aan de anomalie. Het slaagde erin de foutbalken te verkleinen tot een half deel per miljoen. Maar het toonde ook een kleine discrepantie - minder dan 3 delen per miljoen - tussen de nieuwe meting en de theoretische waarde. Deze keer, theoretici konden geen manier bedenken om hun modellen te herberekenen om het uit te leggen. Niets in het standaardmodel zou het verschil kunnen verklaren.

Het was het fysische mysterie-equivalent van een enkele haar gevonden op een plaats delict met DNA dat niet leek te passen bij iemand die met de zaak te maken had. De vraag was - en is nog steeds - of de aanwezigheid van het haar toeval is, of het eigenlijk een belangrijke aanwijzing is.

Natuurkundigen onderzoeken dit "haar" nu opnieuw bij Fermilab, met steun van het DOE Office of Science, de National Science Foundation en verschillende internationale agentschappen in Italië, het VK, de Europese Unie, China, Korea en Duitsland.

In het nieuwe Muon g-2-experiment, een bundel muonen - hun spins wijzen allemaal in dezelfde richting - worden in een soort versneller geschoten die een opslagring wordt genoemd. Het sterke magnetische veld van de ring houdt de muonen op een welbepaald cirkelvormig pad. Als g precies 2 was, dan zouden de spins van de muonen hun momentum precies volgen. Maar, vanwege het afwijkende magnetische moment, de muonen hebben een kleine extra wiebel in de rotatie van hun spins.

Wanneer een muon vervalt in een elektron en twee neutrino's, het elektron heeft de neiging weg te schieten in de richting waarin de spin van het muon wees. Detectoren aan de binnenkant van de ring pikken een deel van de elektronen op die worden geslingerd door muonen die de wiebel ervaren. Het registreren van de aantallen en energieën van elektronen die ze in de loop van de tijd detecteren, zal onderzoekers vertellen hoeveel de muon-spin is geroteerd.

Met dezelfde magneet uit het Brookhaven-experiment met aanzienlijk betere instrumentatie, plus een intensere bundel muonen geproduceerd door Fermilab's versnellercomplex, onderzoekers verzamelen 21 keer meer gegevens om tot vier keer meer precisie te komen.

Het experiment kan het bestaan ​​van de discrepantie bevestigen; het kan helemaal geen discrepantie vinden, wijzend op een probleem met de Brookhaven-uitslag; of het kan iets daartussenin vinden, de zaak onopgelost laten.

Op zoek naar de kwantumonderwereld

Er is reden om aan te nemen dat er iets aan de hand is waar het standaardmodel ons niets over heeft verteld.

Het standaardmodel is een opmerkelijk consistente verklaring voor vrijwel alles wat er in de subatomaire wereld gebeurt. Maar er zijn nog steeds een aantal onopgeloste mysteries in de natuurkunde die het niet aanpakt.

Donkere materie, bijvoorbeeld, maakt ongeveer 27% van het heelal uit. En toch, wetenschappers hebben nog steeds geen idee waar het van gemaakt is. Geen van de bekende deeltjes lijkt bij de rekening te passen. Het standaardmodel kan ook de massa van het Higgs-deeltje niet verklaren, die verrassend klein is. Als het Fermilab Muon g-2-experiment vaststelt dat iets buiten het standaardmodel - bijvoorbeeld een onbekend deeltje - meetbaar knoeit met het magnetische moment van het muon, het kan onderzoekers in de goede richting wijzen om nog een van deze geopende bestanden te sluiten.

Een bevestigde discrepantie geeft geen details op DNA-niveau over welk deeltje of welke kracht zijn aanwezigheid bekend maakt, maar het zal helpen de reeksen van massa en interactiesterkte te verkleinen waarin toekomstige experimenten waarschijnlijk iets nieuws zullen vinden. Zelfs als de discrepantie vervaagt, de gegevens zullen nog steeds nuttig zijn om te beslissen waar te zoeken.

Het kan zijn dat een schimmige kwantumfiguur die op de loer ligt buiten het standaardmodel, te goed verborgen is voor de huidige technologie om te detecteren. Maar als dat niet zo is, natuurkundigen zullen geen middel onbeproefd laten en geen enkel spoor van bewijs ongeanalyseerd totdat ze de zaak ophelderen.

Dit verhaal over het Muon g-2-experiment is oorspronkelijk gepubliceerd in Symmetry.