In 2001 in het Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, een faciliteit die wordt gebruikt voor onderzoek op het gebied van kernfysica en hoge-energiefysica, wetenschappers die experimenteerden met een subatomair deeltje, een muon genaamd, kwamen iets onverwachts tegen.

Om de fundamentele fysieke krachten die in het heelal aan het werk zijn te verklaren en om de resultaten te voorspellen van hoogenergetische deeltjesexperimenten zoals die uitgevoerd in Brookhaven, Fermilab in Illinois, en bij CERN's Large Hadron Collider in Genève, Zwitserland, natuurkundigen vertrouwen op de decennia-oude theorie genaamd het standaardmodel, wat het precieze gedrag van muonen zou moeten verklaren wanneer ze worden afgevuurd door een intens magnetisch veld gecreëerd in een supergeleidende magnetische opslagring. Toen het muon in het Brookhaven-experiment reageerde op een manier die afweek van hun voorspellingen, onderzoekers realiseerden zich dat ze op de rand stonden van een ontdekking die het wetenschappelijke begrip van hoe het universum werkt, zou kunnen veranderen.

Eerder deze maand, na een decennialange inspanning waarbij krachtigere sensoren werden gebouwd en de capaciteit van onderzoekers werd verbeterd om 120 terabyte aan gegevens te verwerken (het equivalent van 16 miljoen digitale foto's per week), een team van wetenschappers van Fermilab kondigde de eerste resultaten aan van een experiment genaamd Muon g-2 dat suggereert dat de Brookhaven-vondst geen toevalstreffer was en dat de wetenschap op de rand staat van een ongekende ontdekking.

UVA-hoogleraar natuurkunde Dinko Počanić is gedurende het grootste deel van twee decennia betrokken geweest bij het Muon g-2-experiment, en UVA Today sprak met hem om meer te weten te komen over wat het betekent.

V. Wat zijn de bevindingen van de Brookhaven en Fermilab Muon g-2 experimenten, en waarom zijn ze belangrijk?

A. Dus, in het Brookhaven-experiment, ze deden verschillende metingen met positieve en negatieve muonen - een onstabiele, massievere neef van het elektron - onder verschillende omstandigheden, en toen ze hun metingen gemiddeld, ze kwantificeerden een magnetische anomalie die kenmerkend is voor het muon, nauwkeuriger dan ooit tevoren. Volgens de relativistische kwantummechanica, de sterkte van het magnetische moment van het muon (een eigenschap die het deelt met een kompasnaald of een staafmagneet) moet twee zijn in geschikte dimensieloze eenheden, hetzelfde als voor een elektron. Het standaardmodel stelt, echter, dat het geen twee is, het is een beetje groter, en dat verschil is de magnetische anomalie. De anomalie weerspiegelt de koppeling van het muon met vrijwel alle andere deeltjes die in de natuur bestaan. Hoe is dit mogelijk?

Het antwoord is dat de ruimte zelf niet leeg is; wat we beschouwen als een vacuüm bevat de mogelijkheid van het creëren van elementaire deeltjes, voldoende energie gegeven. In feite, deze potentiële deeltjes zijn ongeduldig en zijn vrijwel opgewonden, vonken in de ruimte voor onvoorstelbaar korte momenten in de tijd. En hoe vluchtig het ook is, deze vonk wordt "aangevoeld" door een muon, en het beïnvloedt op subtiele wijze de eigenschappen van het muon. Dus, de magnetische anomalie van het muon verschaft een gevoelige sonde van de subatomaire inhoud van het vacuüm.

Tot enorme frustratie van alle praktiserende natuurkundigen van mijn generatie en jonger, het standaardmodel is waanzinnig ongevoelig voor uitdagingen. We weten dat er dingen zijn die daarbuiten moeten bestaan, omdat het niet alles kan beschrijven wat we weten over het universum en zijn evolutie. Bijvoorbeeld, het verklaart niet de prevalentie van materie ten opzichte van antimaterie in het universum, en het zegt niets over donkere materie of vele andere dingen, dus we weten dat het onvolledig is. En we hebben heel hard geprobeerd te begrijpen wat deze dingen kunnen zijn, maar we hebben nog niets concreets gevonden.

Dus, met dit experiment we dagen het standaardmodel steeds nauwkeuriger uit. Als het standaardmodel correct is, we zouden een effect moeten waarnemen dat volledig consistent is met het model omdat het alle mogelijke deeltjes omvat waarvan wordt gedacht dat ze in de natuur aanwezig zijn, maar als we een andere waarde zien voor deze magnetische anomalie, het betekent dat er eigenlijk iets anders is. En dat is wat we zoeken:dit is iets anders.

Dit experiment vertelt ons dat we op het punt staan ​​een ontdekking te doen.

V. Welke rol heb je in het experiment kunnen spelen?

A. Ik werd lid van deze samenwerking toen we net begonnen waren met het plannen van de follow-up van het Brookhaven-experiment rond 2005, slechts een paar jaar nadat het Brookhaven-experiment was afgelopen, en we waren aan het kijken naar de mogelijkheid om preciezer te meten bij Brookhaven. Uiteindelijk werd dat idee verlaten, omdat bleek dat we het bij Fermilab veel beter konden doen, die betere balken had, intensere muonen en betere omstandigheden voor experimenten.

Dus, stelden we voor om rond 2010 en het werd goedgekeurd en gefinancierd door Amerikaanse en internationale financieringsinstanties. Een belangrijk deel werd gefinancierd door een National Science Foundation Major Research Instrumentation-beurs die werd toegekend aan een consortium van vier universiteiten, en UVA was een van hen. We ontwikkelden een deel van de instrumentatie voor de detectie van positronen die tevoorschijn komen bij het verval van positieve muonen. We hebben dat werk afgemaakt, en het is gelukt, dus mijn groep verlegde de focus naar de precieze metingen van het magnetische veld in de opslagring bij Fermilab, een cruciaal onderdeel van het kwantificeren van de magnetische anomalie van het muon. Mijn UVA-faculteitscollega Stefan Baessler heeft ook aan dit probleem gewerkt, en verschillende UVA-studenten en postdocs zijn in de loop der jaren actief geweest in het project.

Q. Fermilab heeft aangekondigd dat dit slechts de eerste resultaten van het experiment zijn. Wat moet er nog gebeuren voordat we weten wat deze ontdekking betekent?

A. Het hangt af van hoe de resultaten van onze analyse van de nog niet geanalyseerde runsegmenten uitpakken. De analyse van de eerste run duurde ongeveer drie jaar. De run werd voltooid in 2018, maar ik denk dat we nu we een aantal problemen in de analyse hebben gladgestreken, het gaat misschien wat sneller. Dus, over ongeveer twee jaar zou het niet onredelijk zijn om het volgende resultaat te hebben, wat een stuk nauwkeuriger zou zijn omdat het serie twee en drie combineert. Dan komt er nog een rondje en we zullen waarschijnlijk over ongeveer twee jaar klaar zijn met het verzamelen van gegevens. Het precieze einde van de metingen is nog enigszins onzeker, maar ik zou zeggen dat over vijf jaar, misschien eerder, we zouden een heel duidelijk beeld moeten hebben.

V. Wat voor impact kunnen deze experimenten hebben op ons dagelijks leven?

A. Eén manier is om specifieke technologieën tot het uiterste te drijven bij het oplossen van verschillende meetaspecten om het nauwkeurigheidsniveau te krijgen dat we nodig hebben. De impact zou waarschijnlijk komen op gebieden als natuurkunde, industrie en geneeskunde. Er zullen technische spin-offs zijn, of in ieder geval verbeteringen in technieken, maar welke specifieke zullen hieruit voortkomen, het is moeilijk te voorspellen. Gebruikelijk, we pushen bedrijven om producten te maken die we nodig hebben die ze anders niet zouden maken, en dan opent zich een nieuw veld voor hen in termen van toepassingen voor die producten, en dat is wat vaak gebeurt. Het World Wide Web is uitgevonden, bijvoorbeeld, omdat onderzoekers zoals wij op een efficiënte manier informatie moesten kunnen uitwisselen over grote afstanden, rond de wereld, Echt, en zo hebben we goed, web browsers, Zoom, Amazon en al dit soort dingen vandaag.

De andere manier waarop we profiteren, is door jonge wetenschappers op te leiden - van wie sommigen zullen doorgaan in de wetenschappelijke en academische carrières zoals ikzelf - maar anderen zullen doorgaan naar andere gebieden van onderneming in de samenleving. Ze zullen een expertise met zich meebrengen in meet- en analysetechnieken van zeer hoog niveau die normaal niet op veel gebieden voorkomen.

En dan, Tenslotte, een ander resultaat is intellectuele verbetering. Een van de resultaten van dit werk zal zijn om ons te helpen het universum waarin we leven beter te begrijpen.

V. Kunnen we in de nabije toekomst meer van dit soort ontdekkingen zien?

A. Ja, er is een hele reeks experimenten naast deze die op een aantal manieren naar zeer nauwkeurige tests van het standaardmodel kijkt. Ik moet altijd denken aan het oude gezegde dat als je 's avonds laat je sleutels op straat verliest, je gaat ze eerst zoeken onder de straatlantaarn, en dat is wat we doen. Dus overal is een straatlantaarn, was aan het kijken. Dit is een van die plaatsen - en er zijn er nog meer, goed, Ik zou zeggen tientallen anderen, als je ook zoekopdrachten opneemt die gaande zijn naar subatomaire deeltjes zoals axions, donkere materie kandidaten, exotische processen zoals dubbel bètaverval, en dat soort dingen. Een dezer dagen, nieuwe dingen zullen worden gevonden.

We weten dat het standaardmodel onvolledig is. Het is niet verkeerd, voor zover het gaat, maar er zijn dingen daarbuiten die niet incorporeren, en we zullen ze vinden.