Wissenschaftliche Entdeckungen sind anders - eine unerwartete Entdeckung der Radioaktivität oder eine lange Suche nach dem vorhergesagten Higgs-Boson. Einige Entdeckungen sind jedoch uneinheitlich, wenn einige Hinweise in den Daten auf zukünftige Messungen hinweisen, die Jahre dauern können. Jetzt findet gerade die wissenschaftliche Forschung des letzteren Typs statt, die in der Physik große Resonanz hervorrufen kann.
Im Februar 2018 begann eine Zusammenarbeit von 190 Wissenschaftlern, die am
Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois arbeiteten, mit der Verwendung einer Ringanordnung von Magneten mit einem Durchmesser von 15 Metern, um eine der genauesten Messungen in der Geschichte durchzuführen. In dieser Studie, die als "
ji minus 2-Experiment " (g-2) bezeichnet wird, werden Wissenschaftler das
anomale magnetische Moment eines seltenen subatomaren Teilchens, eines Myons, eines schweren Verwandten des Elektrons, messen. Ein Myon allein kann in der Größenordnung von 2,2 ppm existieren.
Die Messung des magnetischen Moments, dh der Stärke des vom Myon erzeugten Magneten, wurde mit einem Fehler von
10-12 durchgeführt . Dies entspricht der Messung der Entfernung von der Erde zur Sonne mit einem Millimeterfehler. Heute stimmen die berechneten und gemessenen Werte nicht überein, und dieser Unterschied könnte der erste Hinweis auf Physik außerhalb des Standardmodells sein - der aktuellen Theorie, die die subatomare Welt beschreibt.
Dies wäre eine großartige Entdeckung, da die Physiker gerne ein Loch in die vorherrschende Theorie machen würden. Dies würde zu einem neuen, verbesserten wissenschaftlichen Modell führen, das seine Aufgabe besser bewältigt. Und da die derzeitige Theorie recht erfolgreich ist, würde sie unser Wissen wirklich vorantreiben.
Sobald sie sich in einem Magnetfeld befinden, beginnen die Myonen, sich zu bewegen, dh auf eine bestimmte Weise zu schwingen. In einem Magnetfeld können wir die Präzessionsfrequenz messen. Diese Messung umfasst die Teilchenladung und den
Faktor g , die zur Unterscheidung bestimmter Varianten von Theorien verwendet werden. In der klassischen Theorie ist g = 1 und in der nichtrelativistischen Quantentheorie g = 2.
Messungen des Faktors g für Elektronen, die kurz nach dem Zweiten Weltkrieg begannen, zeigten einen geringfügigen Unterschied zum theoretischen Wert von 2 und ergaben ein experimentelles Ergebnis von 2,00232. Dieser Unterschied ist auf die Effekte zurückzuführen, die in der Theorie der
Quantenelektrodynamik (QED) beschrieben sind. Die Forscher konzentrierten sich auf den Unterschied zwischen Theorie und Experiment, 0,00232, und schienen die beiden vom Ergebnis zu subtrahieren, weshalb das Experiment benannt wurde (g-2).
In der Quantenelektrodynamik untersuchen wir unter anderem die Existenz virtueller Teilchen oder das, was manchmal als Quantenschaum bezeichnet wird. Virtuelle Teilchen sind eine Brühe aus Materie- und Antimaterieteilchen, die für den Bruchteil einer Sekunde aus dem Nichts entstehen und dann wieder verschwinden, als wären sie nicht da. Sie treten überall auf, sind aber besonders wichtig, wenn sie neben subatomaren Partikeln auftreten.
Von 1997 bis 2001 haben Forscher des Brookhaven National Laboratory den Myon-Faktor mit einer Genauigkeit von 12 signifikanten Stellen gemessen und dieses Ergebnis mit theoretischen Berechnungen mit derselben Genauigkeit verglichen. Die Ergebnisse stimmten nicht überein. Um die Bedeutung dieser Diskrepanz zu verstehen, ist es notwendig, ihren Fehler zu verstehen. Wenn Sie beispielsweise wissen möchten, welche der beiden Personen höher ist und der Fehler bei Ihren Messungen einen halben Meter beträgt, ist es unwahrscheinlich, dass Sie zu einer überzeugenden Schlussfolgerung kommen.
Die Differenz zwischen den gemessenen und berechneten Ergebnissen, geteilt durch den kombinierten Fehler (was Wissenschaftler Sigma nennen), beträgt 3,5. In der Teilchenphysik wird ein Sigma von 3,0 als überzeugender Beweis angesehen, aber eine echte Entdeckung erfordert einen Wert von 5,0.
Normalerweise würde man erwarten, dass die Experimentatoren in Brookhaven ihren Aufbau verbessern und mehr Daten sammeln würden, aber unüberwindbare Hindernisse standen dem Labor im Weg. Daher beschlossen die Forscher, den g-2-Ring auf Fermilab zu übertragen, wo es einen Beschleuniger gibt, der mehr Myonen liefern kann. Die Ausrüstung wurde 5.000 km auf einem Lastkahn entlang der Ostküste und den Mississippi hinauf transportiert. Im Juli 2013 kam es in Fermilab an.
Im Laufe der Jahre wurde der Ring vollständig aktualisiert, verbesserte Detektoren und Elektronik wurden installiert. Die neue Installation bietet enorme Möglichkeiten. Bewohner benachbarter Gebiete haben übrigens die Legende, dass die Überreste einer gefallenen fliegenden Untertasse im Labor aufbewahrt werden. Sagen wir, irgendwie fuhr unter dem Schutz der Nacht ein Lastwagen aus dem Labor, begleitet von der Polizei, auf der sich eine 15-Meter-Fahrt unter einer Plane befand.
Die Zusammenarbeit mit Fermilab g-2 begann ihre Arbeit. Die Installation wird gestartet und die Datenaufzeichnung beginnt bis Anfang Juli.
Welches Ergebnis können Wissenschaftler erzielen? Wenn alles wie erwartet verläuft und der in Fermilab gemessene g-Wert der gleiche ist wie der in Brookhaven gemessene, beträgt der Unterschied zwischen den in Fermilab aufgezeichneten Daten 5 Sigma. Und das wird eine Entdeckung bedeuten.
Andererseits ist das Fermilab-Ergebnis möglicherweise nicht das gleiche wie in Brookhaven. Die neue Dimension kann mit den Berechnungen übereinstimmen, und dann gibt es keine Unterschiede.
Aber was ist, wenn g-2 eine Entdeckung macht? Was wird das wahrscheinliche Ergebnis sein? Wie ich bereits erwähnt habe, ist das anomale magnetische Moment des Myons sehr empfindlich gegenüber der Existenz von virtuellen Partikeln in der Nähe. Diese Teilchen verändern das magnetische Moment des Myons geringfügig. Darüber hinaus wäre ein hochpräzises Zusammentreffen von Messungen und Berechnungen nicht möglich, wenn keine virtuellen Partikel vorhanden wären.
Es ist jedoch ziemlich offensichtlich, dass nur bekannte virtuelle Partikel in den Berechnungen verwendet wurden. Eine mögliche Erklärung für die beobachtete Diskrepanz könnte das Vorhandensein zusätzlicher, jedoch unbekannter subatomarer Teilchen im Quantenschaum sein.
Es ist erwähnenswert, dass die Entdeckungen auf dem Gebiet der subatomaren Teilchen seit Jahrzehnten von hochenergetischen Teilchenbeschleunigern gehalten werden. Einsteins berühmte Gleichung E = mc
2 beschreibt die Identität von Masse und Energie. Um schwere Partikel zu öffnen, wird daher viel Energie benötigt. Heute ist der Large Hadron Collider am CERN der stärkste Beschleuniger.
Die Brute-Force-Methode zur Herstellung von Partikeln ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, den Hochenergiebereich zu untersuchen. Das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip besagt, dass selbst energetisch „unmögliche“ Ereignisse eintreten können, wenn ihre Lebensdauer kurz genug ist. Daher ist es möglich, dass ein virtuelles Teilchen, das normalerweise nicht existiert, lange genug aus der Nichtexistenz hervorgeht, um das magnetische Moment des Myons zu beeinflussen. In diesem Fall könnte eine sehr genaue Messung die Existenz dieses Partikels aufdecken. Dies ist nur dann der Fall, wenn das Skalpell besser als ein Vorschlaghammer ist und in diesem Fall das g-2-Experiment in Fermilab möglicherweise den LHC überspringen kann.
Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Geschichte der Wissenschaft voller Fälle ist, in denen Unterschiede in 3 Sigma nach dem Sammeln zusätzlicher Daten verschwunden sind. Daher rate ich nicht, auf das Ergebnis dieser Messung zu wetten. Abweichungen können sich als statistische Schwankungen herausstellen. Das gemessene g-2 in Brookhaven könnte jedoch immer noch das erste Zeichen einer paradigmenwechselnden Entdeckung sein. Die in diesem Frühjahr aufgezeichneten Daten werden im Herbst analysiert und die Ergebnisse werden möglicherweise noch in diesem Jahr veröffentlicht. Die Ergebnisse des ersten Durchlaufs des g-2-Experiments sollten mit vorsichtigem Optimismus erwartet werden.