Het nieuws dat muonen een beetje extra wiebelen in hun stap, deed dit voorjaar de wereld rondgaan.

Het Muon g-2-experiment dat werd georganiseerd in het Fermi National Accelerator Laboratory, kondigde op 7 april aan dat ze een deeltje hadden gemeten, een muon genaamd, dat zich iets anders gedroeg dan voorspeld in hun gigantische versneller. Het was het eerste onverwachte nieuws in de deeltjesfysica in jaren.

Iedereen is opgewonden, maar weinig meer dan de wetenschappers wier taak het is om theorieën over hoe het universum in elkaar zit te spuien. Voor deze theoretici de aankondiging laat ze oude theorieën afstoffen en speculeren over nieuwe.

"Voor velen van ons het ziet eruit en ruikt naar nieuwe natuurkunde, " zei prof. Dan Hooper. "Het kan zijn dat we hier ooit op terugkijken en dit resultaat als een voorbode wordt gezien."

Gordon Krnjaic, een collega-theoretisch fysicus, overeengekomen:"Het is een geweldige tijd om een ​​speculant te zijn."

De twee wetenschappers zijn verbonden aan de Universiteit van Chicago en Fermilab; geen van beiden werkte direct aan het Muon g-2-experiment, maar beiden waren opgetogen over de resultaten. Naar hen, deze bevindingen kunnen een aanwijzing zijn die de weg wijst naar het ontrafelen van de laatste mysteries van de deeltjesfysica - en daarmee, ons begrip van het universum als geheel.

De standaard instellen

Het probleem was dat alles ging zoals verwacht.

Gebaseerd op eeuwenoude experimenten en theorieën die teruggaan tot de dagen van het vroege onderzoek van Albert Einstein, wetenschappers hebben een theorie geschetst over hoe het universum - van de kleinste deeltjes tot zijn grootste krachten - in elkaar zit. Deze uitleg, het standaardmodel genoemd, doet behoorlijk goed werk om de punten met elkaar te verbinden. Maar er zijn een paar gaten - dingen die we in het universum hebben gezien en die niet in het model zijn verwerkt, zoals donkere materie.

Geen probleem, dachten wetenschappers. Ze bouwden grotere experimenten, zoals de Large Hadron Collider in Europa, om de meest fundamentele eigenschappen van deeltjes te onderzoeken, zeker dat dit aanwijzingen zou opleveren. Maar zelfs toen ze dieper keken, niets dat ze vonden leek niet in de pas te lopen met het standaardmodel. Zonder nieuwe wegen om te onderzoeken, wetenschappers hadden geen idee waar en hoe ze moesten zoeken naar verklaringen voor de discrepanties zoals donkere materie.

Vervolgens, Tenslotte, de resultaten van het Muon g-2-experiment kwamen binnen van Fermilab (dat is verbonden aan de Universiteit van Chicago). Het experiment rapporteerde een klein verschil tussen hoe muonen zich zouden moeten gedragen volgens het standaardmodel, en wat ze eigenlijk aan het doen waren in de gigantische versneller.

Gemurmel brak uit over de hele wereld, en de geesten van Hooper, Krnjaic en hun collega's in de theoretische natuurkunde begonnen te racen. Vrijwel elke verklaring voor een nieuwe rimpel in de deeltjesfysica zou ingrijpende gevolgen hebben voor de geschiedenis van het universum.

Dat komt omdat de kleinste deeltjes de grootste krachten in het universum beïnvloeden. De minieme verschillen in de massa's van elk deeltje beïnvloeden de manier waarop het universum zich uitbreidde en evolueerde na de oerknal. Beurtelings, dat beïnvloedt alles, van hoe sterrenstelsels bij elkaar worden gehouden tot de aard van de materie zelf. Daarom willen wetenschappers precies meten hoe de vlinder met zijn vleugels klapperde.

De waarschijnlijke verdachten

Tot dusver, er zijn drie mogelijke verklaringen voor de Muon g-2-resultaten - als het inderdaad nieuwe fysica is en geen fout.

Een daarvan is een theorie die bekend staat als "supersymmetrie, " die begin jaren 2000 erg in de mode was, zei Hooper. Supersymmetrie suggereert dat elk subatomair deeltje een partnerdeeltje heeft. Het is aantrekkelijk voor natuurkundigen omdat het een overkoepelende theorie is die verschillende discrepanties verklaart, inclusief donkere materie; maar de Large Hadron Collider heeft geen bewijs gezien voor deze extra deeltjes. Nog.

Een andere mogelijkheid is dat sommige onontdekte, relatief zware vorm van materie interageert sterk met muonen.

Eindelijk, er kunnen ook andere soorten exotische lichtdeeltjes bestaan, nog niet ontdekt, die zwak interageren met muonen en de wiebel veroorzaken. Krnjaic en Hooper schreven een paper waarin ze uiteenzetten wat zo'n licht deeltje, die ze "Z prime, " zou kunnen betekenen voor het universum.

"Deze deeltjes zouden moeten hebben bestaan ​​sinds de oerknal, en dat zou andere gevolgen hebben, bijvoorbeeld ze kunnen invloed hebben op hoe snel het heelal in de eerste paar ogenblikken uitdijde, ' zei Krnjaic.

Dat zou kunnen aansluiten bij een ander mysterie waar wetenschappers over nadenken, de Hubble-constante genoemd. Dat getal zou moeten aangeven hoe snel het heelal uitdijt, maar het varieert enigszins, afhankelijk van de manier waarop u het meet - een discrepantie die zou kunnen wijzen op een ontbrekend stuk voor zover wij weten.

Er zijn andere, verdere mogelijkheden, zoals dat de muonen worden gestoten door deeltjes die in en uit andere dimensies knipogen. ("Eén ding waarvan deeltjesfysici zelden worden beschuldigd, is een gebrek aan creativiteit, zei Hooper.)

Maar de wetenschappers zeiden dat het belangrijk is om theorieën niet zomaar te verwerpen, hoe wild ze ook klinken.

"We willen niet iets over het hoofd zien alleen omdat het raar klonk, " zei Hooper. "We proberen constant de bomen te schudden om elk idee te krijgen dat we kunnen krijgen. We willen dit overal opsporen waar het zich kan verstoppen."

Sigma stappen

De eerste stap, echter, is om te bevestigen dat het resultaat van Muon g-2 waar is. Wetenschappers hebben een systeem om te bepalen of de resultaten van een experiment echt zijn en niet slechts een vlekje in de gegevens. Het in april aangekondigde resultaat bereikte 4,2 sigma; de benchmark die betekent dat het vrijwel zeker waar is, is 5 sigma.

"Als het echt nieuwe natuurkunde is, over een jaar of twee zullen we veel dichter bij het weten zijn, ", zei Hooper. Het Muon g-2-experiment heeft veel meer gegevens om door te spitten. Ondertussen, de resultaten van een aantal zeer gecompliceerde theoretische berekeningen - zo complex dat zelfs de krachtigste supercomputers ter wereld er maanden tot jaren op moeten kauwen - zouden naar beneden moeten komen.

die resultaten, als ze een betrouwbaarheidsniveau van 5 sigma bereiken, zal wetenschappers wijzen waar ze vervolgens heen moeten. Bijvoorbeeld, Krnjaic hielp bij het voorstellen van een Fermilab-programma genaamd M3 dat de mogelijkheden zou kunnen verkleinen door een straal muonen op een metalen doelwit af te vuren - het meten van de energie voor en nadat de muonen toeslaan. Die resultaten kunnen wijzen op de aanwezigheid van een nieuw deeltje.

In de tussentijd, aan de Frans-Zwitserse grens, de Large Hadron Collider is gepland om te upgraden naar een hogere helderheid die meer botsingen zal produceren. Nieuw bewijs voor deeltjes of andere fenomenen zou in hun gegevens kunnen opduiken.

Al deze opwinding over een wiebel lijkt misschien een overdreven reactie. Maar kleine afwijkingen kunnen, en hebben, leidde tot massale opschuddingen. In de jaren 1850, astronomen die metingen verrichtten aan de baan van Mercurius merkten dat deze een beetje afweek van wat Newtons zwaartekrachtstheorie zou voorspellen. "Die anomalie, samen met ander bewijs, leidde ons uiteindelijk tot de algemene relativiteitstheorie, ' zei Hooper.

"Niemand wist waar het over ging, maar het zette mensen aan het denken en experimenteren. Ik hoop dat we op een dag op dezelfde manier op dit muon-resultaat zullen terugkijken."