Bad Astronomy | Experimentul lui Muon indică o fizică nouă

Muonii nu se rotesc așa cum prezice cel mai bun model fizic. De ce nu? Acest lucru s-ar putea datora particulelor subatomice complet necunoscute care apar în și din existență în spuma cuantică.

Aceasta nu este un fel de tehnologie science fiction. Aceasta provine din rezultate experimentale realeȘi universul ne poate spune că încă nu înțelegem totul despre el.

Aceste rezultate extrem de interesante și care pot schimba jocul provin FermilabLaboratorul de accelerare a particulelor de mare energie din Illinois. Ei desfășoară diferite tipuri de experimente acolo, Și unul se numește Muon g-2 (Literal, „g minus 2”), care examinează o particulă subatomică numită a Myon.

Muoni sunt ca niște electroni Ei au sarcină negativă, de exemplu, și aceeași rotire (o proprietate fundamentală a unei particule, care va deveni importantă într-o clipă), deși este de 200 de ori mai mare.

Folosind tot ceea ce știm despre particulele subatomice (numit Forma standard), Fizicienii pot prezice foarte mult comportamentul muonului. De exemplu, o particulă încărcată care se rotește are o proprietate magnetică asociată numită A. MomentEste o măsură a forței și direcției unui câmp magnetic. Dacă plasați un muon într-un câmp magnetic, acesta va trece printr-o oscilație numită o introducere; Acest lucru este similar din punct de vedere fizic cu mișcarea vârfului unui joc, pe măsură ce se învârte peste masă.

Modelele prezic această inițiativă foarte precis. La maxim. Fizicienii îi atribuie o valoare numită Factorul g, Care este foarte aproape de 2, dar nu chiar egal cu acesta.

Iată unde lucrurile sunt distrate: la scara noastră macroscopică, ne place să credem că spațiul este neted și continuu. Dar pe o scară cantitativă, o scară foarte mică (cum ar fi 10^-35 Metri!) Mecanica cuantică implică acel spațiu Nu Continuă și netedă și, în schimb, poate veni în unități separate, cum ar fi semnele de bifare pe o diagramă. Aceasta înseamnă, la această scară, că spațiul poate să nu fie gol, ci să fiarbă și să spume cu energie.

Uneori, această energie creează automat o pereche de particule subatomice (deoarece masa și energia sunt cele două fețe ale aceleiași monede, E este egal cu mc² Și toate astea). Aceste particule pot intra în existență, dar aceleași legi ale realității cuantice necesită ca particulele să interacționeze instantaneu și să devină din nou energie, revenind la energia unui vid. Asta se numește (și îmi place asta) Spumă cu mânecă.

Rotația unui muon într-un câmp magnetic este afectată de spuma cuantică. Dacă nu există spumă, valoarea factorului g va fi foarte apropiată de 2. Dar particulele care apar și ies din existență afectează oscilația muonului. Aceasta se numește Moment magnetic anormal, Abaterea de la valoarea obișnuită.

Modelul standard prezice valoarea acestui moment anomal examinând tot ceea ce se știe despre forțe și particule. Trebuie să fii foarte exact. Cu toate acestea, este întotdeauna bine să fii sigur, și asta face experimentul Muon g-2. Injectează muoni într-un câmp magnetic foarte stabil Măsuri Volatilitatea, care poate fi apoi comparată cu o predicție. Dacă sunt de acord, atunci înțelegem cum se comportă universul mecanic cuantic.

Dacă nu … ei bine. Ar fi distractiv, nu-i așa?

Modelul standard prezice momentul magnetic anomal al muonului 0,00116591810 (± 0,00000000043; așa cum am spus, foarte precis).

Noua experiență Obține valoare 0,00116592061 (± 0,00000000041).

Acestea sunt diferite. Diferența este mică, desigur, doar 0,0002%. Dar chiar și așa, trebuie să fie egali. Și nu sunt.

Această mică diferență înseamnă foarte mult. Aceasta înseamnă că Există forțe și / sau particule care funcționează pe o scară cuantică despre care nu știm nimic!

Poate. Iată maimuța în cheie: Rezultatele nu sunt până acum Chiar și snuff statistic. Este foarte probabil din cauza unei șanse aleatorii. Este ca și cum ai arunca o monedă: dacă apare față în față de trei ori la rând, ai putea crede că moneda este falsificată, dar există o șansă de 1 din opt să se întâmple aleatoriu. Cu cât îl întoarceți mai mult și față în față, cu atât este mai puțin probabil să fie aleatoriu.

Oamenii de știință folosesc termenul numit Sigma Pentru a măsura această oportunitate. Etalonul aur în experimentele de fizică a particulelor este atunci când experimentul se află în intervalul de cinci sigma, ceea ce înseamnă că are o probabilitate aleatorie de aproximativ 1 din trei milioane sau, dacă preferați, o șansă de 99,99997% de a fi real (Un sigma este de aproximativ 68%, două 95%, trei 97% și așa mai departe, Accesați cu crawlere mai aproape de 100%). Rezultatele experimentului cu factorul g Muon au fost de numai 4,2 sigma, ceea ce înseamnă că au încă o șansă de 1 din 38 000 de a se datora zgomotului aleatoriu.

Cu toate acestea, aceasta este o șansă de 99,997% că nu se datorează unei șanse aleatorii, ceea ce este foarte bun^*. Nu este suficient ca fizicienii să declare victoria. Vestea bună este că încă nu s-a terminat. Experimentul a fost efectuat de trei ori până acum, un al patrulea este în curs de desfășurare și este planificată a cincea rundă. Oamenii de știință au cercetat datele din primele procese, dar aceasta este doar aproximativ 6% din cantitatea totală de date pe care le așteaptă de la experiment. Pentru a utiliza măsurarea de mai sus, se pare că ar fi răsturnat moneda de mai multe ori și ar obține rezultate ciudate, dar ar fi răsturnat-o de mai multe ori pentru a fi siguri.

Dacă restul datelor se aliniază cu ceea ce au văzut până acum, vor trece certitudinea de cinci sigme. Și dacă se întâmplă asta, înseamnă cu siguranță că universul este mai străin și mai misterios decât mecanica cuantică așa cum știm că ne spune … și acest lucru Anterior Ne spunea că universul era ciudat.

Dacă doriți toate acestea în formă comică, Atunci Georges Cham te-a acoperit:

Deci, acest lucru este probabil foarte interesant. Modelul standard a avut un mare succes (de exemplu, a prezis existența bosonului Higgs, care A fost găsit pentru prima dată acum câțiva aniDar știm că există fisuri, lucruri pe care nici tu nu le prezici. În acest caz, muonii plutesc, se rotesc și oscilează într-un câmp magnetic, dirijându-ne către mai multă fizică pe care încă nu o înțelegem, sau chiar nu știm nimic despre ea.

Acesta este visul fiecărui fizician de particule. Când experimentele verifică o teorie bună, este ca și cum ați arăta că drumul din spatele nostru este asfaltat lin.

Dar ce ne așteaptă în viitor?

[Correction (16:00 UTC on April 8, 2021): I originally calculated the percentages incorrectly on those chances, adding an extra two 9s in the decimal point (in other words I had written them as straight odds, not percentages, like a 0.01 chance is 1%). Arg! The numbers are now fixed. Also, I changed the phrasing a bit; the statistics only cover random chance. There could also be systematic errors, that is, something not accounted for in the equipment, or the math, or whatever. Those aren’t random, and are difficult to account for. I just want to make sure I’m covering the bases here.]