Astronomi Buruk | Eksperimen Muon menunjukkan fisika baru

Muon tidak berputar seperti yang diprediksi oleh model fisik terbaik. kenapa tidak? Ini bisa jadi karena partikel subatom yang sama sekali tidak dikenal muncul masuk dan keluar dari keberadaan busa kuantum.

Ini bukanlah sejenis teknologi fiksi ilmiah. Ini dari hasil percobaan nyataDan alam semesta mungkin memberi tahu kita bahwa kita belum memahami segalanya tentangnya.

Hasil yang sangat menarik dan berpotensi mengubah permainan ini berasal FermilabLaboratorium Akselerator Partikel Energi Tinggi di Illinois. Mereka menjalankan berbagai jenis eksperimen di sana, Dan satu disebut Muon g-2 (Secara harfiah, “g minus 2”), yang memeriksa partikel subatomik yang disebut a Myon.

Muon seperti elektron Mereka memiliki muatan negatif, misalnya, dan putaran yang sama (sifat dasar sebuah partikel, yang akan menjadi penting dalam sekejap), meskipun ukurannya 200 kali lebih besar.

Menggunakan semua yang kita ketahui tentang partikel subatom (disebut Bentuk standar), Fisikawan sangat bisa memprediksi perilaku muon. Misalnya, partikel bermuatan berputar memiliki properti magnet terkait yang disebut A. SaatIni adalah ukuran kekuatan dan arah medan magnet. Jika Anda menempatkan muon ke dalam medan magnet, ia akan melalui osilasi yang disebut sebuah perkenalan; Ini secara fisik mirip dengan menggoyangkan bagian atas permainan saat berputar di atas meja.

Model memprediksi inisiatif ini dengan sangat akurat. Secara maksimal. Fisikawan memberikan nilai pada panggilan ini Faktor g, Yang sangat dekat dengan 2 tetapi tidak cukup sama dengan itu.

Di sinilah segala sesuatunya terhibur: Pada skala makroskopis kami, kami suka berpikir bahwa ruang angkasa itu mulus dan berkelanjutan. Tapi dalam skala kuantitatif, skala yang sangat kecil (seperti 10^-35 Meter!) Mekanika kuantum menyiratkan ruang itu Tidak Berkelanjutan dan mulus, dan mungkin hadir dalam unit terpisah, seperti tanda centang pada bagan. Artinya, pada skala ini, ruang tersebut mungkin tidak kosong, melainkan mendidih dan berbuih dengan energi.

Kadang-kadang energi ini secara otomatis menciptakan sepasang partikel subatomik (karena massa dan energi adalah dua sisi dari mata uang yang sama, E sama dengan mc² Dan semua itu). Partikel-partikel ini dapat muncul, tetapi hukum realitas kuantum yang sama mengharuskan partikel berinteraksi secara instan dan menjadi energi lagi, kembali ke energi ruang hampa. Ini disebut (dan saya suka ini) Itu Busa lengan.

Rotasi muon dalam medan magnet dipengaruhi oleh busa kuantum. Jika tidak ada busa, nilai faktor g akan sangat dekat dengan 2. Tetapi partikel yang muncul dan keluar mempengaruhi osilasi muon. Ini disebut Momen magnet yang tidak wajar, Penyimpangan dari nilai biasanya.

Model Standar memprediksi nilai momen anomali ini dengan melihat semua yang diketahui tentang gaya dan partikel. Anda harus sangat akurat. Namun, selalu baik untuk memastikan, dan itulah yang dilakukan eksperimen Muon g-2. Ini menyuntikkan muon ke medan magnet yang sangat stabil Pengukuran Volatilitas, yang kemudian dapat dibandingkan dengan prediksi. Jika mereka setuju, maka kita mengerti bagaimana alam semesta mekanik kuantum berperilaku.

Jika tidak … baiklah. Itu akan menyenangkan, bukan?

Model Standar memprediksi momen magnet anomali muon 0,00116591810 (± 0,0000000000043; seperti yang saya katakan, sangat akurat).

Pengalaman baru Mendapat nilai 0,00116592061 (± 0,0000000000041).

Ini berbeda. Perbedaannya kecil tentunya hanya 0,0002%. Tapi meski begitu, mereka harus sederajat. Dan mereka tidak.

Perbedaan kecil ini sangat berarti. Artinya itu Ada gaya dan / atau partikel yang beroperasi pada skala kuantum yang tidak kita ketahui!

Ya, mungkin. Inilah monyet di kunci inggris: Hasilnya tidak sejauh ini Bahkan statistik menghabisi. Ini sangat mungkin karena kebetulan acak. Ini seperti membalik koin: Jika muncul secara langsung tiga kali berturut-turut, Anda mungkin mengira koin itu dipalsukan, tetapi ada peluang 1 dari delapan hal itu akan terjadi secara acak. Semakin banyak Anda membaliknya dan bertatap muka, semakin kecil kemungkinannya acak.

Ilmuwan menggunakan istilah yang disebut Sigma Untuk mengukur peluang ini. Standar emas dalam eksperimen fisika partikel adalah ketika eksperimen tersebut berada dalam rentang lima sigma, yang berarti eksperimen tersebut memiliki probabilitas acak sekitar satu dari tiga juta terjadi, atau, jika Anda lebih suka, 99,999997% kemungkinan menjadi nyata (Satu sigma sekitar 68%, dua 95%, tiga 97%, dan seterusnya, Merayapi mendekati 100%). Hasil percobaan Muon g-factor hanya 4.2 sigma yang berarti masih memiliki peluang 1 dari 38.000 karena gangguan random.

Namun, ini adalah 99,997% peluang bahwa ini bukan karena peluang acak, yang sangat bagus^*. Tidaklah cukup bagi fisikawan untuk menyatakan kemenangan. Kabar baiknya adalah ini belum berakhir. Eksperimen tersebut telah dilakukan tiga kali sejauh ini, yang keempat sedang berlangsung, dan pengujian kelima sedang direncanakan. Para ilmuwan telah memilah-milah data dari proses pertama tersebut, tetapi itu hanya sekitar 6% dari jumlah total data yang mereka harapkan dari percobaan. Untuk menggunakan pengukuran di atas, sepertinya mereka membalik koin beberapa kali dan mendapatkan hasil yang aneh, tetapi mereka masih akan membaliknya beberapa kali untuk memastikannya.

Jika data lainnya sesuai dengan apa yang telah mereka lihat sejauh ini, mereka akan melewati kepastian lima sigma. Dan jika itu terjadi, itu pasti berarti alam semesta lebih aneh dan lebih misterius daripada mekanika kuantum seperti yang kita ketahui … dan ini Sebelumnya Dia memberi tahu kami bahwa alam semesta itu aneh.

Jika Anda menginginkan semua ini dalam bentuk komik, Kemudian Georges Cham membantu Anda:

Jadi ini mungkin sangat mengasyikkan. Model Standar sangat berhasil (misalnya, meramalkan keberadaan boson Higgs, yang Ini pertama kali ditemukan beberapa tahun yang laluTapi kami tahu ada celah di dalamnya, hal-hal yang tidak Anda prediksi juga. Dalam hal ini, muon mengapung, berputar, dan berosilasi dalam medan magnet, mengarahkan kita ke lebih banyak fisika yang belum kita pahami, atau bahkan kita ketahui.

Ini adalah impian setiap fisikawan partikel. Saat eksperimen membuktikan teori yang baik, itu seperti menunjukkan bahwa jalan di belakang kita beraspal mulus.

Tapi apa yang menanti kita di masa depan?

[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.]