Darstellung von Myonen (blau), die um einen supraleitenden magnetischen Speicherring schleudern. (Fermilab/Youtube) Die Ergebnisse eines der mit größter Spannung erwarteten Experimente in der Teilchenphysik liegen vor und könnten die kühnsten Träume jedes Forschers erfüllen: Vielleicht, vielleicht könnten sie die Physik, wie wir sie kennen, zerstören.
Beweise aus dem Fermi National Accelerator Laboratory in der Nähe von Chicago scheinen auf einen winzigen Vorfall hinzudeuten subatomares Teilchen bekannt als Myon wackelt viel mehr, als die Theorie es vorhersagt. Laut Physikern ist die beste Erklärung, dass das Myon von Arten von Materie und Energie angetrieben wird, die der Physik völlig unbekannt sind.
Wenn die Ergebnisse stimmen, stellt die Entdeckung einen Durchbruch in der Teilchenphysik dar, wie er seit 50 Jahren nicht mehr gesehen wurde, als die vorherrschende Theorie zur Erklärung subatomarer Teilchen erstmals entwickelt wurde. Das winzige Wackeln des Myons – das sogenannte magnetische Moment – könnte die Grundlagen der Wissenschaft erschüttern.
„Heute ist ein außergewöhnlicher Tag, auf den nicht nur wir, sondern die gesamte internationale Physikgemeinschaft lange gewartet hat“, sagt Graziano Venanzoni, Co-Sprecher von Muon g-2-Experiment und Physiker am italienischen Nationalen Institut für Kernphysik, sagte in einer Erklärung .
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Myonen werden manchmal auch als „fette Elektronen“ bezeichnet und ähneln ihren bekannteren Verwandten, sind jedoch 200-mal schwerer und radioaktiv instabil – sie zerfallen in nur einer Millionstel Sekunde in Elektronen und winzige, geisterhafte, ladungslose Teilchen, sogenannte Myonen Neutrinos .
Myonen haben auch eine Eigenschaft namens Spin, die dazu führt, dass sie sich wie winzige Magnete verhalten und wie kleine Gyroskope wackeln, wenn sie in einen Raum fallen Magnetfeld .
Doch die heutigen Ergebnisse, die aus einem Experiment stammen, bei dem Physiker Myonen um einen supraleitenden Magnetring sausen ließen, scheinen zu zeigen, dass das Myon viel stärker wackelt, als es sein sollte.
Die einzige Erklärung, sagten die Studienwissenschaftler, sei die Existenz von Teilchen, die noch nicht durch die Gleichungen, die alle subatomaren Teilchen erklären, genannt werden, berücksichtigt werden Standardmodell - die seit Mitte der 1970er Jahre unverändert geblieben ist. Diese exotischen Teilchen und die damit verbundenen Energien, so die Idee, würden die Myonen im Ring anstoßen und zerren.
Die Fermilab-Forscher sind relativ sicher, dass das, was sie sahen (das zusätzliche Wackeln), ein echtes Phänomen und kein statistischer Zufall war. Sie geben dieser Konfidenz eine Zahl von „4,2 Sigma“ an, was unglaublich nahe an der 5-Sigma-Schwelle liegt, bei der Teilchenphysiker eine große Entdeckung verkünden. (Ein 5-Sigma-Ergebnis würde darauf hindeuten, dass die Wahrscheinlichkeit, dass es durch Zufall passiert ist, bei 1 zu 3,5 Millionen liegt.)
„Diese Größe, die wir messen, spiegelt die Wechselwirkungen des Myons mit allem anderen im Universum wider.“ Aber wenn die Theoretiker die gleiche Größe berechnen und dabei alle bekannten Kräfte und Teilchen in der Standardmodell „Wir bekommen nicht die gleiche Antwort“, sagte Renee Fatemi, Physikerin an der University of Kentucky und Simulationsmanagerin für das Muon g-2-Experiment. sagte in einer Erklärung .
„Das ist ein starker Beweis dafür, dass das Myon empfindlich auf etwas reagiert, das nicht in unserer besten Theorie enthalten ist.“
Es handelt sich jedoch um eine konkurrierende Berechnung, die von einer separaten Gruppe erstellt und am Mittwoch (7. April) in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur könnte dem Wackeln seine Bedeutung nehmen. Nach den Berechnungen dieses Teams, die dem unsichersten Term in der Gleichung, die die Schaukelbewegung des Myons vorhersagt, einen viel größeren Wert verleihen, stimmen die experimentellen Ergebnisse vollständig mit den Vorhersagen überein.
Zwanzig Jahre Teilchenjagd hätten allesamt umsonst sein können.
„Wenn unsere Berechnungen korrekt sind und die neuen Messungen nichts an der Geschichte ändern, brauchen wir anscheinend keine neue Physik, um das magnetische Moment des Myons zu erklären – es folgt den Regeln des Standardmodells“, sagt Zoltan Fodor, Professor für Physik an der Penn State University und Leiter des Forschungsteams, das die veröffentlicht hat Natur Papier, sagte in einer Erklärung .
Aber Fodor fügte hinzu, dass ihre Ergebnisse noch lange nicht beschlossene Sache seien, da die Vorhersage seiner Gruppe auf einer völlig anderen Berechnung mit ganz anderen Annahmen beruhte.
„Unser Ergebnis bedeutet, dass es eine Spannung zwischen den bisherigen theoretischen Ergebnissen und unseren neuen gibt.“ „Diese Diskrepanz sollte verstanden werden“, sagte er. „Darüber hinaus könnten die neuen experimentellen Ergebnisse nahe an den alten oder näher an den früheren theoretischen Berechnungen liegen.“ Vor uns liegen viele aufregende Jahre.“
Im Wesentlichen werden Physiker erst dann endgültig sagen können, ob brandneue Teilchen an ihren Myonen zerren, wenn sie sich genau darauf einigen können, wie auch die 17 vorhandenen Teilchen des Standardmodells mit Myonen interagieren. Bis sich eine Theorie durchsetzt, bleibt die Physik in der Schwebe.
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