FoodPro Preloader

Muons bringer ny fysikk innen rekkevidde


Muon g-2-eksperimentet vil se etter avvik fra standardmodellen ved å måle hvordan muoner vibler i et magnetfelt. Fermilab I søket etter ny fysikk kommer eksperimenter basert på høye energikollisjoner inne i massive atommaskere som kommer opp tomhendt. Så fysikere setter sin tro på mer presise metoder: mindre krasj og grip og mer vekkende måter. Neste

Muon g-2-eksperimentet vil se etter avvik fra standardmodellen ved å måle hvordan muoner vibler i et magnetfelt. Fermilab

I søket etter ny fysikk kommer eksperimenter basert på høye energikollisjoner inne i massive atommaskere som kommer opp tomhendt. Så fysikere setter sin tro på mer presise metoder: mindre krasj og grip og mer vekkende måter. Neste måned vil forskere i USA slå på et slikt eksperiment. Det vil gjøre en super-nøyaktig måling av måten som muons, tunge kusiner av elektroner, oppfører seg i et magnetfelt. Og det kunne gi bevis på eksistensen av helt nye partikler.

Partiklene jaktet av det nye eksperimentet, ved Fermi National Laboratory i Batavia, Illinois, består av en del av den virtuelle suppen som omgir og samhandler med alle former for materie. Kvanteteorien sier at kortsiktige virtuelle partikler hele tiden "blip" inn og ut av eksistensen. Fysikere regner allerede med effekten av kjente virtuelle partikler, som fotoner og kvarker. Men den virtuelle suppen kan ha mystisk, og likevel uidentifisert, ingredienser. Og muons kan være spesielt følsomme for dem.

Det nye Muon g-2-eksperimentet vil måle denne følsomheten med uovertruffen presisjon. Og ved å gjøre det, vil det analysere en muon anomali som har forvirret fysikere i mer enn et tiår. Hvis eksperimentet bekrefter at anomali er ekte, er den mest sannsynlige forklaringen at den skyldes virtuelle partikler som ikke vises i den eksisterende fysikkspillboken - standardmodellen.

"Det ville være det første direkte beviset på ikke bare fysikk utover standardmodellen, men av helt nye partikler, " sier Dominik Stöckinger, teoretiker ved teknisk universitet i Dresden, Tyskland, og medlem av Muon g-2-samarbeidet.

Fysikere gråt ut etter en etterfølger til standardmodellen - en teori som har vært fantastisk vellykket, men er kjent for å være ufullstendig fordi den ikke klarer å regne for mange fenomener, for eksempel eksistensen av mørk materie. Eksperimenter ved Large Hadron Collider (LHC) ved CERN, Europas partikkelfysikklaboratorium i nærheten av Genève, Sveits, har ikke avslørt en bestemt chink, til tross for å utføre over forventning og gjennomføre hundrevis av søk etter fysikk utover standardmodellen. Muon anomali er en av bare en håndfull leder som fysikere har.

Målinger av muons magnetiske øyeblikk - en grunnleggende egenskap som angår partikkelens inneboende magnetisme - kunne holde nøkkelen fordi den er tweaked av samspill med virtuelle partikler. Når den sist ble målt for 15 år siden på Brookhaven National Laboratory i New York, var muons magnetiske øyeblikk større enn teorien forutsier. Fysikere tror at interaksjon med ukjente partikler, kanskje de som er forutsatt av en teori som heter supersymmetri, kan ha forårsaket denne anomali.

Andre mulige forklaringer er et statistisk fluke, eller en feil i teoretikernes standardmodellberegning, som kombinerer komplekse effekter av kjente partikler. Men det blir mindre sannsynlig, sier Stöckinger, som sier at nye beregningsmetoder og eksperimentelle krysschecker gjør teoretisk side mye mer robust enn det var for 15 år siden.

"Med dette tantaliserende resultatet fra Brookhaven, må du virkelig gjøre et bedre eksperiment, " sier Lee Roberts, fysiker ved Boston University i Massachusetts, som er leder for Muon g-2-eksperimentet. Fermilab-oppsettet vil bruke 20 ganger antall muoner brukt i Brookhaven-eksperimentet for å krympe usikkerheten med en faktor på 4. "Hvis vi er enige, men med mye mindre feil, vil det definitivt vise at det er noen partikkel som ikke har blitt observert andre steder, sier han.

For å undersøke muene, vil Fermilab fysikere injisere partiklene i et magnetfelt som er inneholdt i en ring, noen 14 meter over. Hver partikkel har en magnetisk egenskap som kalles spin, som er analog med jordens spinn på sin akse. Når muene beveger seg rundt ringen i nærheten av lysets hastighet, svinger deres rotasjonsakser i feltet, som off-kilter spinning topper. Kombinere denne precession rate med en måling av magnetfeltet gir partiklene magnetiske øyeblikk.

Siden Brookhaven-resultatet, synes noen populære forklaringer for anomali - inkludert effekter av hypotetiske mørke fotoner - utelukket av andre eksperimenter, sier Stöckinger. "Men hvis du ser på hele scenariet for fysikk utover standardmodellen, er det mange muligheter."

Selv om et positivt resultat vil gi liten indikasjon på nøyaktig hva de nye partiklene er, vil det gi ledetråder til hvordan andre eksperimenter kan knekke dem ned. Hvis den relativt store Brookhaven-avviket opprettholdes, kan den bare komme fra relativt lette partikler, som bør være innenfor rekkevidde av LHC, sier Stöckinger, selv om de samhandler så sjelden at det tar mange år for dem å komme frem.

Faktisk er ønsket om å bygge videre på tidligere funn så sterkt at Fermilab-eksperimenter vil behandle sine innkommende resultater, blinde, og for å unngå forskjell i hver av to målinger som kombinerer for å gi det magnetiske øyeblikket. Bare når offsetene blir avslørt, vil noen vite om de har bevis på at nye partikler gjemmer seg i kvantesuppen. "Inntil da vet ingen hva svaret er, " sier Roberts. "Det blir et spennende øyeblikk."

Denne artikkelen er reprodusert med tillatelse og ble først publisert 11. april 2017.

Anbefalt