Findes der ny fysik ud over standardmodellen? Nye fund kan være det endelige opgør

Standardmodellen for partikelfysik blev designet for mere end 50 år siden til at forklare naturens mindste byggesten.

Modellen har haft enorm succes med at forudsige eksistensen af nye partikler og kræfter, men det er ikke den komplette ‘teori om alting’, som fysikerne sukker efter.

Teorien har flere mangler. Den beskriver hverken tyngdekraften eller de ukendte komponenter, der udgør det meste af universet: mørkt stof og mørk energi.

Partikelfysikere er derfor på jagt efter enhver mulig afvigelse fra ‘forventelig’ adfærd ud fra standardmodellen. Adfærd, der kan give et vink om ny fysik.

Betydning for standardmodellens status

Nu har vores store internationale team af fysikere, der arbejder ved Muon g-2-eksperimentet i Fermilab i USA, foretaget en måling af en særlig fundamental partikels ‘præcession’ (at ‘præcessere’ kan omtrent oversættes med at ‘slingre’ på samme måde som en snurretop).

Og det kan få enorm betydning for standardmodellens status.

Vores resultat kaster nemlig lys over én af den teoretiske fysiks helt store gåder – hvor en mulig løsning kan være nye partikler eller kræfter, der påvirker målingen.

Resultatet er endnu ikke blevet fagfællebedømt, men er indsendt til det videnskabelige tidsskrift Physical Review Letters, og det bakker op om lignende resultater fra 2021.

Revolutionerer partikelfysikken

En grundlæggende byggesten i standardmodellen er myonen – en partikel, der ligner en elektron, men som er 200 gange tungere.

Myonen har en lang historie med at revolutionere partikelfysikken – alene opdagelsen af den var et chok.

Vores eksperiment studerer, hvordan disse partikler interagerer med et magnetfelt på 1,45 Tesla. Det får myonerne til at slingre som snurretoppe, og slingrehastigheden er proportionel med feltets styrke.

Eksperimentet producerer og lagrer milliardvis af myoner i en cirkulær magnet på 14 meter i diameter – vi kalder magneten for en ‘storage ring’ (‘lager-ring’, red.).

Til sidst henfalder myonerne til elektroner, som tælles af detektorer rundt på indersiden af ringen.

Mange ejendommeligheder

Endnu en ejendommelighed er, at antallet af detekterede elektroner varierer proportionelt med slingringshastigheden. Så ved at tælle elektronerne kan vi afdække den hastighed, myonerne slingrer med. Og jo flere elektroner vi tæller, desto mere præcis bliver målingen.

Interaktionen mellem myonens slingren og feltet kvantificeres af en dimensionsløs konstant kaldet ‘g’, det gyromagnetiske forhold.

Fysikeren Paul Dirac forudsagde værdien til at være g = 2. Men ifølge kvantemekanikken, der styrer den subatomære verden, som standardmodellen bygger på, er det tomme rum fyldt med ‘virtuelle’ partikler, som dukker frem i et flygtigt øjeblik og så forsvinder igen.

Effektivt søgeværktøj efter ny fysik

Disse partikler påvirker myonens interaktion med magnetfeltet og øger g til lidt mere end 2. Det er grunden til, at eksperimentet, der studerer denne forskel, har fået navnet ‘g-2’.

Eventuelle manglende brikker i standardmodellen vil ændre hastigheden til et tal lidt højere eller lavere end forudsagt, hvilket gør det til et effektivt søgeværktøj efter ny fysik.

En måling ved Brookhaven National Laboratory i USA vakte stor opsigt i 2004 efter at have opdaget, at præcessionen var lidt hurtigere end forventet, hvilket potentielt antydede noget nyt.

Værdien blev målt igen på Fermilab i april 2021, hvilket bekræftede den oprindelige måling og øgede forskellen mellem eksperiment og teori.

Nu undersøger vores nye resultat fra Fermilab, ved hjælp af data indsamlet i 2019 og 2020, fire gange så mange myoner som 2021-resultatet, hvilket reducerer den samlede usikkerhed med en faktor på to.

Det gør målingen til den mest præcise bestemmelse af myonens slingren, der nogensinde er foretaget.

Nyt eksperiment øger nøjagtigheden

I praksis er eksperimentet naturligvis langt mere udfordrende end blot at tælle myoner. Selvom den statistiske usikkerhed er blevet reduceret, var der behov for andre forbedringer for at gøre målingen endnu mere præcis.

Det magnetiske felts retning bestemmer slingrens akse, så det var afgørende at holde magnetens temperatursvingninger under kontrol.

Forskelle i temperaturen får også magnetstykkerne til at udvide sig og trække sig sammen, hvilket ændrer magnetfeltet en smule.

På vores niveau af nøjagtighed kan selv en ændring på en tusindedel af en millimeter have en enorm effekt på slingren. Af denne grund blev der installeret et termolag rundt om ringen og et kølesystem i forsøgshallen.

Endnu en udfordring er det faktum, at myonerne i ringen ikke ønsker at blive på en perfekt cirkulær bane – de vil meget hellere svømme rundt og udforske alle områder af ringen. Vi har derfor opgraderet højspændingssystemet, der skyder strålen ind det rigtige sted.

Almindeligvis vurderer partikelfysikerne, hvor godt to resultater (for eksempel et teoretisk og et eksperimentelt resultat) stemmer overens ved at bruge et statistisk mål for variation/spredning kaldet sigma, som kan estimere sandsynligheden for, at forskelle er et statistisk lykketræf eller ej.

Det giver dog ikke mening denne gang, fordi det bliver mere og mere uklart, hvilken standardmodel-forudsigelse vi skal sammenligne resultatet med.

Tættere på standardmodellen?

Et samarbejde mellem teoretikere, kaldet Muon g-2 Theory Initiative, beregnede værdien i 2020. Beregningen blev brugt i 2021, hvilket gav et sigma på 4,2, hvilket indikerer, at sandsynligheden for, at resultatet var et lykketræf, var 1 ud af 40.000.

Men siden da har det videre forløb leveret nye forudsigelser fra en anden gruppe af teoretikeres nye tilgang.

Der har også været en opdateret eksperimentel måling fra CMD-3-samarbejdet i Rusland, som vil indgå i eventuelle nye beregninger. De kan ændre 2020-værdien og potentielt bringe dem tættere på standardmodellen.

Næste resultat skal have dobbelt så mange data

Det står klart, at der er store udfordringer i begge lejre, hvor teorien ikke engang stemmer overens med teorien.

Vores samarbejde arbejder nu hen imod vores endelige eksperimentale resultat, der forventes i 2025, ved at bruge hele datasættet – mere end dobbelt så mange data.

Men indtil teorikontroversen er løst, vil der være en sky af tvivl hængende over enhver fortolkning af uoverensstemmelsen.

Der er to mulige udfald:

• Teorien og eksperimentet vil muligvis ikke stemme overens, hvilket betyder, at nye partikler eller naturkræfter har gemt sig hele tiden. Det kan betyde, at standardmodellen i sidste ende slår fejl – så der er brug for en opdatering.
• De opdaterede forudsigelser mindsker forskellen, hvilket vil være et massivt boost for standardmodellen.

Uanset hvad, sætter vores ultrapræcise måling scenen for det endelige opgør.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.