Hvorfor Måling Af En Lille, Spinende Partikel Er Sådan En Stor Aftale

{h1}

G-2-eksperimentet er begyndt, og det har potentialet til at ryste den regerende model af partikelfysik.

Don Lincoln er seniorforsker ved US Department of Energy's Fermilab, landets ledende partikelfysikforskningsinstitution. Han skriver også om videnskab for offentligheden, herunder hans seneste "The Great Hadron Collider: Den ekstraordinære historie af Higgs Boson og andre ting, der vil blæse dit sind"(Johns Hopkins University Press, 2014). Du kan følge ham videre Facebook. Lincoln bidrog med denne artikel til WordsSideKick.com Ekspert stemmer: Op-Ed & Insights.

Videnskabelige opdagelser kommer i mange former, som overraskelsen af ​​radioaktivitet eller den lange søgning efter den forudsagte Higgs boson. Men nogle opdagelser er blandet med et hint i dataene, der peger på fremtidige målinger, som kan tage år. En videnskabelig undersøgelse af den tredje art er i gang nu, og udbetalingen for fysik kan være enorm.

Tirsdag (6. februar) begyndte et samarbejde med 190 forskere, der opererer på Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois, at bruge en række magneter arrangeret i en ring med en diameter på 15 meter (15 meter) for at gøre en af ​​de mest præcise målinger nogensinde udført. I denne forskning, der kaldes g-2-eksperimentet (udtalet "g minus 2") eller bare g-2 for kort, vil forskere måle det, der kaldes det uomgængelige magnetiske øjeblik for den sjældne subatomære partikel kaldet en muon, som er tung kusine af elektronen og spins slags som en top. Muon eksisterer imidlertid kun for 2,2 millionerths of a second når i hvile. [Beyond Higgs: 5 Elusive Particles That May Lurk In The Universe]

Det magnetiske øjeblik, i det væsentlige en måling af styrken af ​​magneten skabt af hver muon, er blevet målt både og beregnet til en præcision af en del i 1012. Det er som at måle afstanden mellem jorden og solen med en præcision af en millimeter. For øjeblikket er forudsigelsen og målingen ikke enig, og denne uoverensstemmelse kan være de første antydninger af fysik ud over standardmodellen, som er vores nuværende teori, der beskriver den subatomiske verden.

Det ville være en stor ting, fordi fysikere som mig ville blive elated for at slå et hul i den regerende teori. Hvis der findes et sådant hul, vil det føre til en ny og forbedret videnskabsmodel, der gør et bedre arbejde end den eksisterende. Da den eksisterende teori er ret succesfuld, vil dette være et reelt fremskridt i viden.

Når de placeres i et magnetfelt, vil disse små muoner præcessere eller wobble på en bestemt måde. I et magnetfelt kan vi registrere noget, der kaldes præcessionsfrekvensen af ​​wobbling. Denne foranstaltning involverer partikel- og g-faktorens ladning, som anvendes til at skelne mellem specifikke tilfælde: I klassisk teori, g = 1 og i almindelig (fx ikke-relativistisk) kvantetheori, g = 2.

Lige efter anden verdenskrig viste målinger af g for elektroner en lille uoverensstemmelse fra den teoretiske "2" -værdi, med det eksperimentelle resultat at være 2.00232. Denne uoverensstemmelse stammer fra virkninger beskrevet af teorien om kvantelektrodynamik eller QED. For at fokusere på uoverensstemmelsen (0.00232) trak forskere af "2", hvilket er hvor navnet på eksperimentet opstår (g-2).

I kvantelektrodynamik undersøger vi blandt andet eksistensen af ​​virtuelle partikler, eller hvad der undertiden kaldes kvanteskum. Virtuelle partikler er et bad af materielle og antimatterpartikler, der flimmer til eksistens i en lille smule af et sekund og forsvinder derefter som om de aldrig eksisterede. De forekommer overalt i rummet, men er især vigtige, når de forekommer tæt på subatomære partikler.

Fra 1997 til 2001 målte forskere ved Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, muons g-faktor med en nøjagtighed på 12 signifikante cifre og sammenlignede resultatet med teoretiske beregninger, der opnåede en tilsvarende nøjagtighed. De to resultater var uenige. For at forstå vigtigheden af ​​uenigheden, skal du forstå usikkerheden af ​​begge. (For eksempel, hvis du spurgte hvilken af ​​to personer der var den højeste, hvis din måleusikkerhed for hver person var 2 meter eller 0,6 m, er det usandsynligt, at du kunne trække nogen konklusion.)

Forskellen mellem måling og forudsigelse divideret med den kombinerede usikkerhed (hvad forskere kalder sigmaen) er 3,5. I partikelfysik betragtes en sigma på 3,0 som bevis, men en sand opdagelse kræver en betydning på 5,0.

Normalt ville man forvente, at eksperimenterne i Brookhaven ville have forbedret deres apparat og indsamlet flere data, men der var tekniske forhindringer, som laboratoriet ikke kunne overvinde. Så besluttede forskerne at flytte g-2-ringen til Fermilab, som har en accelerator, der kunne levere flere muoner. Udstyret blev derefter afsendt 3.200 km (mere end 5.100 kilometer) ved pram ned østkyst og op ad Mississippi-floden. Det ankom til Fermilab i juli 2013. [De 18 største uløste mysterier i fysik]

I de mellemliggende år blev ringen fuldstændig renoveret med meget forbedrede detektorer og elektronik. Det nye apparat har overlegne muligheder. (Sjovt kendsgerning: Der er en legende gentaget blandt nogle af Brookhighns naboer, at laboratoriet husede en nedbrudt flyvende tallerken. Så i mørke om natten forlod en lastbil med en tung politibeskyttelse labbet med en presenningsholdet 50 -fod på tværs af disken. Fortæl mig, at dette ikke bekræftede folks mistanker.)

Fermilab g-2 samarbejde er påbegyndt. De vil først udføre apparatet og derefter optage data på alvor.Datatagning vil fortsætte i begyndelsen af ​​juli.

Så hvad kan resultatet være? Hvis alt fungerer som forventet, og hvis værdien for g målt ved Fermilab er den samme som den fra Brookhaven, kunne de data, der blev registreret i foråret ved Fermilab, have en 5-sigma-betydning, når de kombineres med de data, der er optaget på Brookhaven. Det ville betyde en opdagelse.

På den anden side kan resultatet målt ved Fermilab afvige fra Brookhaven måling. Den nye måling kan være enig med beregningen, i hvilket tilfælde uoverensstemmelsen ville gå væk.

Men hvad nu hvis g-2 gør en opdagelse? Hvad ville være det sandsynlige resultat? Som jeg nævnte før, er muons uregelmæssige magnetiske øjeblik meget følsomt for forekomsten af ​​nærliggende virtuelle partikler. Disse virtuelle partikler ændrer muons magnetiske øjeblik lidt. Endvidere ville den ultraprecise aftale mellem måling og beregning ikke være mulig, hvis virtuelle partikler ikke eksisterede.

Men og selvfølgelig brugte beregningen kun kendte subatomiske virtuelle partikler. En mulig forklaring på den observerede uoverensstemmelse er, at yderligere, i øjeblikket ukendte subatomære partikler findes i quantumskummet.

Det er værd at bemærke, at opdagelser af subatomære partikler i årtier var provinsen højtydende partikelacceleratorer. Einsteins berømte ligning E = mc2 beskriver, hvordan energi og masse er de samme. Så for at opdage tunge partikler har du lige brug for meget energi til at lave dem. For tiden er Large Hadron Collider hos CERN verdens mest kraftfulde accelerator.

Den brute-force metode til fremstilling af partikler er imidlertid ikke den eneste måde at udforske høj-energi rige på. Heisenbergs usikkerhedsprincip siger, at begivenheder, der er energisk "umulige", kan forekomme - hvis de opstår i en kort nok tid. Så det er muligt, at virtuelle partikler, der ikke normalt eksisterer, kunne flimre til eksistens lige længe nok til at påvirke muons magnetiske øjeblik. I så fald ville en meget præcis måling afsløre deres eksistens. Dette er måske en situation, hvor en skalpell virker bedre end en slædeshammer, og måske kunne det Fermilab-baserede g-2-eksperiment slå CERN LHC til stansen.

Men først en advarsel: Videnskabens historie er fyldt med eksempler på 3-sigma uoverensstemmelser, der forsvandt, når de konfronteres med yderligere data. Så ingen bør satse på resultatet af denne måling. Uoverensstemmelsen kunne simpelthen være et statistisk fluke. Der er imidlertid ingen tvivl om, at Brookhaven g-2 måling kunne være den første indikation af et paradigmeskiftende opdagelse. Dataene registreret i foråret vil blive analyseret i løbet af efteråret og kunne rapporteres om mindre end et år. Selvom forsigtighed er klart berettiget, bør første forsøg på g-2-eksperimentet overvåges med stor forventning.

Originalartikel om WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com