Vor sieben Jahren wurde ein massiver Magnet 5.150 km über Land und Meer transportiert, in der Hoffnung, ein subatomares Teilchen namens Myon untersuchen zu können.
Myonen sind eng mit Elektronen verwandt, die sich um jedes Atom drehen und die Bausteine der Materie bilden. Das Elektron und das Myon haben beide Eigenschaften, die von unserer derzeit besten wissenschaftlichen Theorie, die die subatomare Quantenwelt definiert, genau vorhergesagt werden Standardmodell der Teilchenphysik
Eine ganze Generation von Wissenschaftlern hat sich der genauen Messung dieser Eigenschaften verschrieben. Im Jahr 2001 deutete ein Experiment darauf hin, dass eine Eigenschaft des Myons nicht genau der vom Standardmodell vorhergesagten Eigenschaft entsprach, aber neue Studien waren erforderlich, um dies zu bestätigen. Die Physiker haben einen Teil des Experiments auf einen neuen Beschleuniger in Fermilab verlagert und begonnen, mehr Daten zu sammeln.
EIN neue Messung hat nun das erste Ergebnis bestätigt. Dies bedeutet, dass möglicherweise neue Partikel oder Kräfte vorhanden sind, die nicht im Standardmodell enthalten sind. In diesem Fall müssen die Gesetze der Physik überarbeitet werden, und niemand weiß, wohin das führen könnte.
Dieses jüngste Ergebnis ist das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit, an der wir beide beteiligt sind. Unser Team verwendete Teilchenbeschleuniger, um eine Eigenschaft zu messen, die als magnetisches Moment des Myons bezeichnet wird.
Jedes Myon wirkt wie ein kleiner Stabmagnet, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird, einem Effekt, der als magnetisches Moment bezeichnet wird. Myonen haben auch eine intrinsische Eigenschaft, die als „Spin“ bezeichnet wird, und die Beziehung zwischen dem Spin und dem magnetischen Moment des Myons ist als g-Faktor bekannt. Das „g“ des Elektrons und des Myons wird als zwei vorhergesagt, daher sollte g minus zwei (g-2) als Null gemessen werden. Das testen wir bei Fermilab.
Für diese Tests verwendeten die Wissenschaftler Beschleuniger, die gleiche Technologie, die Cern am LHC verwendet. Der Fermilab-Beschleuniger produziert Myonen in sehr großen Mengen und misst sehr genau, wie sie mit einem Magnetfeld interagieren.
Weiterlesen: Beweis für brandneue Physik bei Cern? Warum wir in Bezug auf unsere neuen Erkenntnisse vorsichtig optimistisch sind
Das Verhalten des Myons wird durch „virtuelle Teilchen“ beeinflusst, die in das Vakuum hinein- und aus diesem herausspringen. Diese existieren flüchtig, aber lang genug, um die Wechselwirkung des Myons mit dem Magnetfeld zu beeinflussen und das gemessene magnetische Moment zu ändern, wenn auch um einen kleinen Betrag.
Das Standardmodell sagt sehr genau, besser als ein Teil von einer Million, voraus, wie sich dieser Effekt auswirken wird. Solange wir wissen, welche Teilchen im Vakuum ein- und ausströmen, müssen Experiment und Theorie übereinstimmen. Wenn Experiment und Theorie jedoch nicht übereinstimmen, ist unser Verständnis der Suppe virtueller Partikel möglicherweise unvollständig.
Neue Partikel
Die Möglichkeit, dass neue Partikel existieren, ist keine müßige Spekulation. Solche Teilchen könnten helfen, einige der großen Probleme in der Physik zu erklären. Warum zum Beispiel das Universum? so viel dunkle Materie – Warum drehen sich die Galaxien schneller als erwartet – und warum ist fast die gesamte während des Urknalls gebildete Antimaterie verschwunden?
Das Problem war bisher, dass niemand eines dieser vorgeschlagenen neuen Partikel gesehen hat. Es wurde gehofft, dass der Large Hadron Collider (LHC) in Cern sie bei Kollisionen zwischen hochenergetischen Protonen produzieren würde, aber sie wurden noch nicht beobachtet.
Die neue Messung verwendete dieselbe Technik wie ein Experiment im Brookhaven National Laboratory in New York um die Jahrhundertwende, das selbst einer Reihe von Messungen in Cern folgte.
Das Brookhaven-Experiment maß eine Diskrepanz mit dem Standardmodell, das eine Wahrscheinlichkeit von eins zu 5.000 hatte, ein statistischer Zufall zu sein. Dies ist ungefähr die gleiche Chance wie das 12-malige Werfen einer Münze hintereinander.
Dies war verlockend, aber weit unter der Entdeckungsschwelle, die im Allgemeinen besser sein sollte als eine von 1,7 Millionen – oder 21 Münzen hintereinander. Um festzustellen, ob es sich um eine neue Physik handelt, müssten Wissenschaftler die Empfindlichkeit des Experiments um den Faktor vier erhöhen.
Um die verbesserte Messung durchzuführen, musste der Magnet im Herzen des Experiments 2013 3.200 Meilen von Long Island auf See und Straße nach Fermilab außerhalb von Chicago bewegt werden, dessen Beschleuniger eine reichlich vorhandene Myonenquelle produzieren konnten.
Einmal installiert, wurde ein neues Experiment mit modernsten Detektoren und Geräten um den Magneten herum aufgebaut. Das Myon-G-2-Experiment begann 2017 mit der Datenerfassung in Zusammenarbeit mit Veteranen des Brookhaven-Experiments und einer neuen Generation von Physikern.
Die neuen Ergebnisse aus dem ersten Datenjahr bei Fermilab stimmen mit den Messungen aus dem Brookhaven-Experiment überein. Die Kombination der Ergebnisse verstärkt die Argumente für eine Meinungsverschiedenheit zwischen der experimentellen Messung und dem Standardmodell. Die Wahrscheinlichkeit liegt jetzt bei etwa einem von 40.000, dass die Diskrepanz ein Zufall ist – immer noch schüchtern gegenüber der Entdeckungsschwelle des Goldstandards.
Der LHC
Interessanterweise einer jüngste Beobachtung durch das LHCb-Experiment fand auch mögliche Abweichungen vom Standardmodell bei Cern. Aufregenderweise bezieht sich dies auch auf die Eigenschaften von Myonen. Diesmal ist es ein Unterschied, wie Myonen und Elektronen aus schwereren Teilchen erzeugt werden. Es wird erwartet, dass die beiden Geschwindigkeiten im Standardmodell gleich sind, aber die experimentelle Messung zeigte, dass sie unterschiedlich waren.
Zusammengenommen bestätigen die Ergebnisse von LHCb und Fermilab das Argument, dass wir den ersten Beweis für das Scheitern der Standardmodellvorhersage beobachtet haben und dass neue Partikel oder Kräfte in der Natur entdeckt werden müssen.
Für die endgültige Bestätigung sind mehr Daten sowohl aus dem Fermilab-Myon-Experiment als auch aus dem Cern-LHCb-Experiment erforderlich. Die Ergebnisse werden in den kommenden Jahren bekannt gegeben. Fermilab verfügt bereits über viermal mehr Daten als in diesem jüngsten Ergebnis, das derzeit analysiert wird. Cern hat begonnen, mehr Daten zu erfassen, und eine neue Generation von Myonenexperimenten wird erstellt. Dies ist ein aufregendes Zeitalter für die Physik.
Dieser Artikel von Themis Bowcock, Professor für Teilchenphysik, Universität von Liverpool und Mark Lancaster, Professor für Physik, Universität von Manchesterwurde von neu veröffentlicht Die Unterhaltung unter einer Creative Commons Lizenz. Lies das originaler Artikel
