Penemuan ilmiah berbeda - penemuan radioaktivitas yang tak terduga atau pencarian panjang untuk boson Higgs yang diprediksi. Tetapi beberapa penemuan dicampur ketika beberapa petunjuk dalam data menunjukkan pengukuran di masa depan yang mungkin memakan waktu bertahun-tahun. Sekarang penelitian ilmiah dari tipe terakhir baru saja terjadi, yang dapat menyebabkan resonansi besar dalam fisika.
Pada bulan Februari 2018, sebuah kolaborasi dari 190 ilmuwan yang bekerja di
Fermi National Accelerator Laboratory di Illinois mulai menggunakan cincin susunan magnet dengan diameter 15 m untuk membuat salah satu pengukuran paling akurat dalam sejarah. Dalam studi ini, yang disebut "
ji minus 2 experiment " (g-2), para ilmuwan akan mengukur
momen magnetik anomali dari partikel subatomik langka, muon, kerabat berat elektron. Muon sendiri bisa ada pada urutan 2,2 ppm.
Pengukuran momen magnet, yaitu, kekuatan magnet yang dibuat oleh muon, dilakukan dengan kesalahan 10
-12 . Itu sama dengan mengukur jarak dari Bumi ke Matahari dengan kesalahan milimeter. Saat ini, nilai yang dihitung dan diukur tidak sesuai, dan perbedaan ini mungkin merupakan petunjuk pertama dari fisika di luar Model Standar - teori saat ini yang menggambarkan dunia subatomik.
Ini akan menjadi penemuan besar, karena fisikawan dengan senang hati akan membuat lubang dalam teori yang berlaku. Ini akan mengarah pada model ilmiah baru yang lebih baik yang mampu mengatasi tugasnya dengan lebih baik. Dan mengingat bahwa teori saat ini cukup sukses, itu akan benar-benar mendorong pengetahuan kita ke depan.
Begitu berada dalam medan magnet, muon mulai berpesiar, yaitu berosilasi dengan cara tertentu. Dalam medan magnet, kita dapat mengukur frekuensi presesi. Pengukuran ini mencakup muatan partikel dan
faktor g , yang digunakan untuk membedakan varian teori tertentu. Dalam teori klasik, g = 1, dan dalam teori kuantum nonrelativistik, g = 2.
Pengukuran faktor g untuk elektron, yang dimulai tak lama setelah Perang Dunia Kedua, menunjukkan sedikit perbedaan dari nilai teoritis 2, dan memberikan hasil eksperimen 2,00232. Perbedaan ini disebabkan oleh efek yang dijelaskan oleh teori
kuantum elektrodinamika , QED. Berkonsentrasi pada perbedaan antara teori dan eksperimen, 0,00232, para peneliti tampaknya mengurangi keduanya dari hasilnya, itulah sebabnya mengapa eksperimen itu dinamai (g-2).
Dalam kuantum elektrodinamika, antara lain, kita mempelajari keberadaan partikel virtual, atau apa yang kadang-kadang disebut busa kuantum. Partikel virtual adalah kaldu partikel materi dan antimateri yang muncul dari ketiadaan selama sepersekian detik, dan kemudian menghilang lagi, seolah-olah mereka tidak ada di sana. Mereka muncul di mana-mana, tetapi sangat penting ketika mereka muncul di sebelah partikel subatom.
Dari 1997 hingga 2001, para peneliti di Brookhaven National Laboratory mengukur faktor muon dengan akurasi 12 digit signifikan dan membandingkan hasil ini dengan perhitungan teoretis dengan akurasi yang sama. Hasilnya tidak cocok. Untuk memahami pentingnya perbedaan ini, perlu dipahami kesalahan mereka. Misalnya, jika Anda ingin tahu yang mana dari dua orang yang lebih tinggi, dan kesalahan dalam pengukuran Anda akan setengah meter, maka Anda tidak mungkin sampai pada kesimpulan yang meyakinkan.
Perbedaan antara hasil yang diukur dan dihitung, dibagi dengan kesalahan gabungan (apa yang para ilmuwan sebut sigma), adalah 3,5. Dalam fisika partikel, sigma 3.0 dianggap sebagai bukti yang meyakinkan, tetapi penemuan sejati membutuhkan nilai 5.0.
Biasanya, diharapkan bahwa para peneliti di Brookhaven akan memperbaiki pengaturan mereka dan mengumpulkan lebih banyak data, tetapi hambatan yang tidak dapat diatasi menghalangi laboratorium. Oleh karena itu, para peneliti memutuskan untuk mentransfer cincin g-2 ke Fermilab, di mana ada akselerator yang mampu memberikan lebih banyak muon. Peralatan itu diangkut 5.000 km di atas tongkang di sepanjang Pantai Timur dan di atas Sungai Mississippi. Pada Juli 2013, ia tiba di Fermilab.
Selama bertahun-tahun, cincin telah sepenuhnya diperbarui, detektor yang lebih baik, dan elektronik telah dipasang. Instalasi baru memiliki peluang luar biasa. Ngomong-ngomong, penduduk daerah tetangga memiliki legenda bahwa sisa-sisa piring terbang jatuh disimpan di laboratorium. Katakanlah, entah bagaimana, di bawah penutup malam, sebuah truk melaju keluar dari laboratorium, ditemani oleh polisi, di mana ada drive 15 meter di bawah terpal.
Kolaborasi Fermilab g-2 mulai bekerja. Instalasi akan dimulai dan perekaman data akan dimulai, yang akan berlangsung hingga awal Juli.
Apa hasil yang bisa didapat para ilmuwan? Jika semuanya berjalan seperti yang diharapkan, dan nilai g yang diukur dalam Fermilab ternyata sama dengan yang diukur di Brookhaven, maka perbedaan dalam data yang dicatat dalam Fermilab adalah 5 sigma. Dan ini berarti penemuan.
Di sisi lain, hasil Fermilab mungkin tidak sama dengan di Brookhaven. Dimensi baru mungkin bertepatan dengan perhitungan, dan kemudian tidak akan ada perbedaan.
Tetapi bagaimana jika g-2 membuat penemuan? Apa kemungkinan hasilnya? Seperti yang saya sebutkan sebelumnya, momen magnetik anomali muon sangat sensitif terhadap keberadaan partikel virtual di dekatnya. Partikel-partikel ini sedikit mengubah momen magnetik muon. Selain itu, suatu kebetulan pengukuran dan perhitungan ultraprecise tidak akan mungkin terjadi jika partikel virtual tidak ada.
Namun, yang cukup jelas, hanya partikel virtual yang diketahui yang digunakan dalam perhitungan. Satu penjelasan yang mungkin untuk perbedaan yang diamati adalah keberadaan dalam busa kuantum dari partikel subatomik tambahan yang belum diketahui.
Perlu dicatat bahwa penemuan di bidang partikel subatomik telah berlangsung selama beberapa dekade oleh akselerator partikel berenergi tinggi. Persamaan Einstein yang terkenal E = mc
2 menggambarkan identitas massa dan energi. Karena itu, untuk membuka partikel berat, dibutuhkan banyak energi. Saat ini, Large Hadron Collider di CERN adalah akselerator paling kuat.
Namun, metode brute force untuk membuat partikel bukan satu-satunya cara untuk mempelajari wilayah berenergi tinggi. Prinsip ketidakpastian Heisenberg mengatakan bahwa peristiwa "mustahil" yang penuh semangat pun dapat terjadi jika masa hidup mereka cukup singkat. Oleh karena itu, ada kemungkinan bahwa partikel virtual, yang biasanya tidak ada, dapat muncul dari tidak adanya untuk waktu yang cukup lama untuk mempengaruhi momen magnetik muon. Dalam hal ini, pengukuran yang sangat akurat dapat mengungkapkan keberadaan partikel ini. Ini adalah kasus ketika pisau bedah lebih baik daripada palu godam, dan, mungkin, dalam kasus ini, percobaan g-2 di Fermilab dapat melewati LHC.
Tetapi perlu dicatat bahwa sejarah sains penuh dengan kasus di mana perbedaan dalam 3 sigma menghilang setelah mengumpulkan data tambahan. Karena itu, saya tidak menyarankan bertaruh pada hasil pengukuran ini. Perbedaan dapat berubah menjadi fluktuasi statistik. Namun, pengukuran g-2 di Brookhaven mungkin masih menjadi tanda pertama dari penemuan yang mengubah paradigma. Data yang direkam pada musim semi ini akan dianalisis pada musim gugur dan hasilnya akan muncul akhir tahun ini. Hasil percobaan pertama percobaan g-2 harus diharapkan dengan optimisme yang hati-hati.