26. april 2021

Ny fysik på spil? Afvigelse fra fysikkens standard model bekræftet

Partikelfysik:

En ultrapræcis måling af myoner, - en partikel som kan kaldes ”en tungere fætter til elektronen” – i magnetiske felter, har styrket en tyve år gammel indikation af, at der er helt ny fysik på spil. Det er muligvis det første tegn på nye, fundamentale partikler eller kræfter. Tom Stuttard, adjunkt ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, udviklede software, som anvendes til at aflæse de sofistikerede partikel-detektorer på det nye eksperiment og analysere data fra den banebrydende måling, den mest præcise i høj-energi partikelfysikkens historie. Resultatet er nu udgivet i Physical Review Letters.

Fermilabs Myon g-2 ring
Fermilabs Myon g-2 ring, hvor myonernes rotation I et magnetisk felt anvendes til at måle myonernes magnetiske moment. Foto: Reidar Hahn

Sub-atomare partikler som elektroner og protoner har en kvanteegenskab, kaldet magnetisk moment, som,  når de placeres i et magnetisk felt, er årsag til at de roterer. Hastigheden på denne rotation er afhængig af styrken af den elektromagnetiske styrke, og kan beregnes ekstremt præcist ved anvendelse af fysikkens standardmodel. Standardmodellen er et sæt af teorier, som beskriver partiklerne og naturkræfterne og den har haft meget stor succes i at beskrive den sub-atomare verden. For 20 år siden satte et hold af fysikere fra Brookhaven National Laboratory i USA sig for at lave en høj-præcisionsmåling af det magnetiske moment for de partikler, vi kalder myoner, og de blev meget overraskede over at finde en lille forskel i myonrotationens hastighed, når de sammenlignede med deres teoretiske forventning.

Der lader til at være ny, hidtil ukendt fysik på spil på den mindste skala

Forskellen, som blev observeret i Brookhaven, kan fortolkes som det første tegn på en ny kvantekraft eller en partikel, som er ukendt for videnskaben pt, og derfor ikke indregnet i standardmodellens beregning. Dens effekt ændrer muligvis en smule på myoners rotationshastighed. På trods af standardmodellens succes, ved vi at det er en ukomplet teori, idet den ikke kan forklare tyngdekraft, den umådeligt lille masse neutrinoer har (spøgelsesagtige partikler, som næsten ikke interagerer med andet stof), eller det mystiske mørke stof og energi, som gennemtrænger universet. Brookhaven eksperimentet er et af ganske få spor, som det er lykkedes at se i laboratorie eksperimenter og som peger ud på den anden side af standardmodellen.

Nyt eksperiment kommer tættere på sandheden

Uanset hvor spændende Brookhaven resultatet var, er en lille afvigelse ikke nok til at kalde det en ny opdagelse, når de rigide standarder, som partikelfysikkens forskere sætter, skal overholdes. Derfor blev et nyt og endnu mere præcist eksperiment konstrueret ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Illinois, USA, så man enten kunne bekræfte eller afkræfte anomalien. Den gigantiske, 14 meter i diameter store magnetiske ring blev flyttet i ét stykke 5000 km over land, flod og hav til Fermilab og rekonstrueret med spritnye, sofistikerede partikeldetektor teknologier. Til sidst blev den forbundet til Fermilabs stærke partikelacceleratorkompleks, som kan forsyne eksperimentet med milliarder af myoner. Disse myoners rotation, idet de cirkulerer i ringen, blev nøje målt af forskerne, samtidig med at præcisionsmålinger af det magnetiske felt blev foretaget. Hastigheden af rotationen afhænger af den kombinerede indflydelse af hvert subatomart partikel og naturkraft, hvilket vil sige, at hvis rotationen blev målt til at være hurtigere eller langsommere end forventet, kunne årsagen være hidtil uopdagede partikler og/eller kræfter, som ikke er indregnet i vore nuværende beregninger.

På den anden side af standardmodellen – hvad kommer vi til at finde?

Det nye eksperiment annoncerede resultater fra det første års data d. 7. april, og til stor glæde for partikelforskerne, observerede de at myonerne roterede en anelse hurtigere end teorien forudser, og dermed bekræftedes Brookhaven målingen med en uhyrlig præcision på 0,000046%. Fermilab tager fortsat data ind, og i løbet af de næste få år forventes en endnu mere afgørende konklusion.

Tom Stuttard siger: ”Det er et utroligt spændende resultat og kulminationen på mange års arbejde for mange hundrede forskere. Den hurtigere rotation, som er observeret i disse myoner, er et stærkt vidnesbyrd om, at der er ny fysik på spil, men vi ved endnu ikke hvilken type nye partikler eller kræfter, som har ansvaret”. Mange nye teoretiske modeller har allerede set dagens lys siden annonceringen af resultatet, og nye målinger med andre eksperimenter som fx Large Hadron Collider, LHC, ved CERN, Geneve, er nødvendige for at teste disse nye teorier og prøve at få det vi ser, til at give mening.

Link til den videnskabelige artikel: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801