Waarom Het Meten Van Een Klein, Ronddraaiend Deeltje Zo'N Grote Deal Is

{h1}

Het g-2 experiment is begonnen en het heeft de potentie om het heersende model van de deeltjesfysica op te schudden.

Don Lincoln is een senior wetenschapper bij Fermilab, het Amerikaanse departement voor deeltjesfysica, Fermilab. Hij schrijft ook over wetenschap voor het publiek, inclusief zijn recente "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson en Other Stuff That Blow Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014) Je kunt hem volgen Facebook. Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com's Expertvoices: Op-Ed & Insights.

Wetenschappelijke ontdekkingen zijn er in vele vormen, zoals de verrassing van radioactiviteit of de lange zoektocht naar het voorspelde Higgs-deeltje. Maar sommige ontdekkingen zijn gemengd, met een hint in de gegevens die wijzen op toekomstige metingen die jaren in beslag kunnen nemen. Een wetenschappelijke studie van de derde soort is nu aan de gang en de uitbetaling voor natuurkunde zou enorm kunnen zijn.

Op dinsdag (6 februari) begon een samenwerking van 190 wetenschappers die werkzaam zijn bij het Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois een array van magneten te gebruiken die zijn gerangschikt in een ring met een diameter van 15 meter om een ​​van de nauwkeurigste metingen ooit te verrichten. In dit onderzoek, het g-2-experiment (uitgesproken als "g minus 2"), of kortweg g-2, meten wetenschappers het zogenaamde anomale magnetische moment van het zeldzame subatomaire deeltje muon, dat een zware neef van het elektron en draait als een top. Het muon bestaat echter slechts 2,2 miljoensten van een seconde in rust. [Beyond Higgs: 5 ongrijpbare deeltjes die zich in het heelal kunnen bevinden]

Het magnetische moment, in feite een meting van de sterkte van de magneet die door elk muon wordt gecreëerd, is zowel gemeten als berekend tot op één precisie in 1012. Dat is hetzelfde als het meten van de afstand tussen de aarde en de zon met een precisie van een millimeter. Op dit moment zijn de voorspelling en meting niet met elkaar in overeenstemming, en deze discrepantie kan de eerste aanwijzing zijn van de natuurkunde voorbij het standaardmodel, wat onze huidige theorie is die de subatomaire wereld beschrijft.

Dat zou een groot probleem zijn, want fysici zoals ik zouden opgetogen zijn om een ​​gat in de heersende theorie te slaan. Als zo'n gat wordt gevonden, zal dit leiden tot een nieuw en verbeterd wetenschappelijk model dat het beter doet dan het bestaande. Gezien het feit dat de bestaande theorie behoorlijk succesvol is, zal dit een echte vooruitgang in kennis zijn.

Wanneer ze in een magnetisch veld worden geplaatst, zullen deze kleine muonen op een bepaalde manier precesseren of wiebelen. In een magnetisch veld kunnen we iets detecteren dat de precessiefrequentie van het wiebelen wordt genoemd. Deze maatregel omvat de lading van het deeltje en de g-factor, die wordt gebruikt om onderscheid te maken tussen specifieke gevallen: in de klassieke theorie, g = 1 en in gewone (bijvoorbeeld niet-relativistische) kwantumtheorie, g = 2.

Vlak na de Tweede Wereldoorlog vertoonden metingen van g voor elektronen een kleine discrepantie ten opzichte van de theoretische "2" -waarde, met een experimenteel resultaat van 2.00232. Deze discrepantie komt voort uit effecten beschreven door de theorie van kwantumelektrodynamica of QED. Om zich te concentreren op de discrepantie (0,00232) haalden onderzoekers de "2" af, wat de plaats is voor het experiment (g-2).

In kwantumelektrodynamica onderzoeken we onder andere het bestaan ​​van virtuele deeltjes, of wat soms het kwantumschuim wordt genoemd. Virtuele deeltjes zijn een bad van materie en antimateriedeeltjes die een fractie van een seconde in het leven flikkeren en vervolgens verdwijnen alsof ze nooit hebben bestaan. Ze komen overal in de ruimte voor, maar zijn vooral belangrijk als ze lijken op subatomaire deeltjes.

Van 1997 tot 2001 hebben onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, de g-factor van muon met een nauwkeurigheid van 12 significante cijfers gemeten en dat resultaat vergeleken met theoretische berekeningen die een vergelijkbare nauwkeurigheid bereikten. De twee resultaten waren het oneens. Om het belang van het meningsverschil te begrijpen, moet u de onzekerheid van beide begrijpen. (Als u bijvoorbeeld zou vragen welke van de twee mensen de grootste was, als uw meetonzekerheid voor elke persoon 2 voet of 0,6 m was, is het onwaarschijnlijk dat u een conclusie zou kunnen trekken.)

Het verschil tussen meten en voorspellen, gedeeld door de gecombineerde onzekerheid (wat wetenschappers de sigma noemen) is 3,5. In de deeltjesfysica wordt een sigma van 3,0 als bewijs beschouwd, maar een echte ontdekking vereist een waarde van 5,0.

Normaal gesproken zou je verwachten dat de onderzoekers in Brookhaven hun apparatuur hadden verbeterd en meer gegevens verzamelden, maar er waren technische hindernissen die het lab niet kon overwinnen. Dus besloten de onderzoekers om de g-2 ring naar Fermilab te verplaatsen, die een versneller heeft die meer muonen kan afleveren. De apparatuur werd vervolgens 3.200 mijl (meer dan 5.100 kilometer) per schip over de oostkust en de rivier de Mississippi verscheept. Het arriveerde in juli 2013 in Fermilab. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]

In de tussenliggende jaren werd de ring volledig opnieuw ingericht, met sterk verbeterde detectoren en elektronica. Het nieuwe apparaat heeft superieure mogelijkheden. (Leuk feitje: er is een legende, herhaald onder sommige buren van Brookhaven, dat het laboratorium een ​​gecrashte vliegende schotel bevatte. Toen, in het donker van de nacht, verliet een vrachtwagen met een zwaar politie-escorte het laboratorium met een met zeildoek omhulde, 50 -voet-over-schijf.Vertel me dat dit de verdenkingen van die mensen niet bevestigde.)

De samenwerking tussen Fermilab g-2 is begonnen met operaties. Zij zullen het apparaat eerst in gebruik nemen en vervolgens gegevens serieus opnemen.Het verzamelen van gegevens gaat tot begin juli door.

Dus, wat zou de uitkomst kunnen zijn? Als alles werkt zoals verwacht, en als de waarde voor g gemeten bij Fermilab gelijk is aan die voor Brookhaven, kunnen de gegevens die dit voorjaar bij Fermilab zijn opgenomen een 5-sigma-significantie hebben in combinatie met de gegevens die zijn opgenomen in Brookhaven. Dat zou een ontdekking betekenen.

Aan de andere kant kan het resultaat gemeten bij Fermilab afwijken van de Brookhaven-meting. De nieuwe meting kan overeenkomen met de berekening, in welk geval het verschil weg zou gaan.

Maar wat als g-2 een ontdekking doet? Wat is de waarschijnlijke uitkomst? Zoals ik eerder al zei, is het anomale magnetische moment van het muon erg gevoelig voor het bestaan ​​van nabije virtuele deeltjes. Deze virtuele deeltjes veranderen het magnetische moment van het muon enigszins. Verder zou de ultraprecieze overeenkomst tussen meting en berekening niet mogelijk zijn als virtuele deeltjes niet bestonden.

Maar misschien gebruikte de berekening natuurlijk alleen subatomaire virtuele deeltjes. Een mogelijke verklaring voor de waargenomen discrepantie is dat er extra, momenteel onbekende subatomaire deeltjes bestaan ​​in het kwantumschuim.

Het is vermeldenswaard dat decennia lang ontdekkingen van subatomaire deeltjes de provincie waren van zeer energetische deeltjesversnellers. Einstein's beroemde vergelijking E = mc2 beschrijft hoe energie en massa hetzelfde zijn. Dus, om zware deeltjes te ontdekken, had je gewoon heel veel energie nodig om ze te maken. Momenteel is de Large Hadron Collider bij CERN de krachtigste versneller ter wereld.

De brute-force methode om deeltjes te maken is echter niet de enige manier om het energierijke rijk te verkennen. Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg zegt dat gebeurtenissen die energetisch "onmogelijk" zijn, kunnen optreden - als ze zich maar kort genoeg voordoen. Het is dus mogelijk dat virtuele deeltjes die normaal niet bestaan, net lang genoeg in het bestaan ​​kunnen flikkeren om het magnetische moment van het muon te beïnvloeden. Als dat zo is, zou een zeer precieze meting hun bestaan ​​onthullen. Dit is misschien een situatie waarin een scalpel beter werkt dan een voorhamer, en misschien dat het op Fermilab gebaseerde g2-experiment de CERN LHC zou kunnen verslaan.

Maar eerst een waarschuwing: de geschiedenis van de wetenschap is vol met voorbeelden van 3-sigma-verschillen die verdwenen wanneer ze werden geconfronteerd met extra gegevens. Niemand moet dus gokken op de uitkomst van deze meting. De discrepantie kan eenvoudigweg een statistische toevalstreffer zijn. Het lijdt echter geen twijfel dat de Brookhaven g-2-meting de eerste indicatie zou kunnen zijn van een paradigma-veranderende ontdekking. De gegevens die dit voorjaar zijn opgenomen, zullen in de herfst worden geanalyseerd en kunnen in minder dan een jaar worden gerapporteerd. Hoewel voorzichtigheid geboden is, moet de eerste run van het g-2-experiment met grote voorzichtigheid worden bekeken.

Oorspronkelijk artikel over WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com