Zeven jaar geleden, een enorme magneet werd over 3 getransporteerd, 200 mijl (5, 150 km) over land en zee, in de hoop een subatomair deeltje genaamd een muon te bestuderen.

Muonen zijn nauw verwant aan elektronen, die om elk atoom draaien en de bouwstenen van materie vormen. Het elektron en het muon hebben beide eigenschappen die precies worden voorspeld door onze huidige beste wetenschappelijke theorie die de subatomaire, kwantum wereld, het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Een hele generatie wetenschappers heeft zich toegelegd op het meten van deze eigenschappen tot in de kleinste details. In 2001, een experiment liet doorschemeren dat één eigenschap van het muon niet precies was zoals het standaardmodel voorspelde, maar nieuwe studies waren nodig om te bevestigen. Natuurkundigen hebben een deel van het experiment verplaatst naar een nieuwe versneller, bij Fermilab, en begon meer gegevens te verzamelen.

Een nieuwe meting heeft nu het eerste resultaat bevestigd. Dit betekent dat er nieuwe deeltjes of krachten kunnen ontstaan ​​waarmee in het standaardmodel geen rekening is gehouden. Als dit de zaak is, de wetten van de fysica zullen moeten worden herzien en niemand weet waar dat toe leidt.

Dit laatste resultaat is het resultaat van een internationale samenwerking, waar we allebei deel van uitmaken. Ons team heeft deeltjesversnellers gebruikt om een ​​eigenschap te meten die het magnetische moment van het muon wordt genoemd.

Elk muon gedraagt ​​zich als een kleine staafmagneet bij blootstelling aan een magnetisch veld, een effect dat het magnetische moment wordt genoemd. Muonen hebben ook een intrinsieke eigenschap genaamd "spin, " en de relatie tussen de spin en het magnetische moment van het muon staat bekend als de g-factor. Er wordt voorspeld dat de "g" van het elektron en het muon twee is, dus g min twee (g-2) moet worden gemeten als nul. Dit testen we bij Fermilab.

Voor deze testen is wetenschappers hebben versnellers gebruikt, dezelfde soort technologie die Cern gebruikt bij de LHC. De Fermilab-versneller produceert muonen in zeer grote hoeveelheden en maten, heel precies, hoe ze interageren met een magnetisch veld.

Het gedrag van het muon wordt beïnvloed door 'virtuele deeltjes' die vanuit het vacuüm in en uit het bestaan ​​springen. Deze bestaan ​​vluchtig, maar lang genoeg om de interactie van het muon met het magnetische veld te beïnvloeden en het gemeten magnetische moment te veranderen, zij het met een klein bedrag.

Het standaardmodel voorspelt zeer nauwkeurig, tot beter dan een deel op een miljoen, wat dit effect is. Zolang we weten welke deeltjes in en uit het vacuüm borrelen, experiment en theorie moeten overeenkomen. Maar, als experiment en theorie niet overeenkomen, ons begrip van de soep van virtuele deeltjes kan onvolledig zijn.

Nieuwe deeltjes

De mogelijkheid dat er nieuwe deeltjes ontstaan ​​is geen ijdele speculatie. Dergelijke deeltjes kunnen helpen bij het verklaren van een aantal van de grote problemen in de natuurkunde. Waarom, bijvoorbeeld, heeft het universum zoveel donkere materie - waardoor de sterrenstelsels sneller roteren dan we zouden verwachten - en waarom is bijna alle antimaterie die in de oerknal is gecreëerd verdwenen?

Het probleem tot nu toe is dat niemand een van deze voorgestelde nieuwe deeltjes heeft gezien. Men hoopte dat de LHC in Cern ze zou produceren in botsingen tussen hoogenergetische protonen, maar ze zijn nog niet waargenomen.

De nieuwe meting gebruikte dezelfde techniek als een experiment in "Brookhaven National Laboratory in New York, aan het begin van de eeuw, die zelf een reeks metingen bij Cern volgde.

Het Brookhaven-experiment mat een discrepantie met het standaardmodel dat een één op vijf had, 000 kans om een ​​statistische toevalstreffer te zijn. Dit is ongeveer dezelfde kans als 12 keer achter elkaar een munt gooien, alle heads-up.

Dit was prikkelend, maar ver onder de drempel voor ontdekking, wat over het algemeen beter moet zijn dan één op 1,7 miljoen - of 21 munten op een rij. Om te bepalen of er nieuwe fysica in het spel was, wetenschappers zouden de gevoeligheid van het experiment met een factor vier moeten verhogen.

Om de verbeterde meting te maken, de magneet in het hart van het experiment moest in 2013 worden verplaatst 3, 200 mijl van Long Island langs zee en over de weg, naar Fermilab, buiten Chicago, waarvan de versnellers een overvloedige bron van muonen kunnen produceren.

Eenmaal op zijn plaats, er werd een nieuw experiment rond de magneet gebouwd met ultramoderne detectoren en apparatuur. Het muon g-2-experiment begon in 2017 met het verzamelen van gegevens, met een samenwerking van veteranen van het Brookhaven-experiment en een nieuwe generatie natuurkundigen.

De nieuwe resultaten, vanaf het eerste jaar van gegevens bij Fermilab, zijn in lijn met de meting uit het Brookhaven-experiment. Het combineren van resultaten versterkt het argument voor een meningsverschil tussen experimentele meting en het standaardmodel. De kans ligt nu op ongeveer één op 40, 000 van de discrepantie is een toevalstreffer - nog steeds verlegen voor de ontdekkingsdrempel van de gouden standaard.

de LHC

Intrigerend, een recente waarneming door het LHCb-experiment in Cern vond ook mogelijke afwijkingen van het standaardmodel. Wat spannend is, is dat dit ook verwijst naar de eigenschappen van muonen. Deze keer is het een verschil in hoe muonen en elektronen worden geproduceerd uit zwaardere deeltjes. Naar verwachting zijn de twee tarieven in het standaardmodel gelijk, maar de experimentele meting vond dat ze anders waren.

Bij elkaar genomen, de LHCb- en Fermilab-resultaten versterken het argument dat we hebben waargenomen dat het eerste bewijs van de voorspelling van het standaardmodel faalt, en dat er nieuwe deeltjes of krachten in de natuur zijn om ontdekt te worden.

Voor de ultieme bevestiging hiervoor zijn meer gegevens nodig, zowel uit het Fermilab-muon-experiment als uit het LHCb-experiment van Cern. De resultaten zullen in de komende jaren zichtbaar worden. Fermilab heeft al vier keer meer gegevens dan in dit recente resultaat is gebruikt, momenteel geanalyseerd, Cern is meer gegevens gaan verzamelen en er wordt een nieuwe generatie muon-experimenten gebouwd. Dit is een spannend tijdperk voor de natuurkunde.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.