Muon g-2-eksperimentet ved Fermilab i USA.
Muon g-2-eksperimentet ved Fermilab i USA.

Nye fysikk­resultater stemmer kanskje ikke med teorien om universets minste bestanddeler

Forskere ved amerikanske Fermilab har publisert et etterlengtet resultat. Men det ser ikke ut til å passe inn i teorien som beskriver partiklene som bygger opp vår verden.

I 2013 ble en diger, superledende magnet-ring flyttet fra Brookhaven i New York, til Fermilab utenfor Chicago.

Magneten måtte ut på en mer enn 5000 kilometer lang tur, og magneten var ikke akkurat lett håndterlig. Denne magneten spiller en av hovedrollene i historien om et oppsiktsvekkende fysikk-resultat som nylig ble publisert.

Her er den digre magneten på vei gjennom USA i 2013.
Her er den digre magneten på vei gjennom USA i 2013.

Magneten brukes i eksperimentet som kalles Muon g-2, og er en del av fysikkeksperimenter som har pågått i flere tiår. Nøyaktig hva de har prøvd å finne ut er komplisert og abstrakt, men vi skal komme tilbake til det senere.

Poenget er at det er noe som ikke stemmer med myonet. Dette er en av elementærpartiklene forskerne vet om. Den er med i standardmodellen, teorien som beskriver de minste partiklene som bygger opp universet.

Du kan lese mer om hva fysikerne egentlig mener med «elementærpartikkel» på forskning.no. Det er nemlig ikke snakk om små legoklosser.

Et mysterium

Sporet om at noe ikke var det som skulle, dukket opp ved Brookhaven-laboratoriet i New York for over 20 år siden, der denne magneten ble brukt først.

Men resultatet herfra var ikke presist nok til å slå det helt fast, og i flere år har fysikerne villet gjenta eksperimentet. Nå er arbeidet i gang.

–Dette har vært et mysterium i lang tid. Tallmessig passer ikke eksperimentet overens med standardmodellen, sier Are Raklev til forskning.no. Han er professor i fysikk ved UiO.

Standarmodellen er bygget opp gjennom mange tiår med eksperimenter og teoretisk arbeid, og den kalles ofte den mest suksessfulle teorien i vitenskapens historie. Dette handler om at teorien brukes til å kunne gi ekstremt presise beskrivelser av hvordan partiklene oppfører seg, som så bekreftes av eksperimenter. Oppdagelsen av Higgs-bosonet er et eksempel på dette.

Det er samtidig andre, grunnleggende problemer med standardmodellen, som at den ikke forklarer gravitasjon eller mørk materie, som du også kan lese mer om på forskning.no.

Men det er altså noe som ikke stemmer med myonet. Her skiller eksperimentene og teorien tilsynelatende lag, noe som kan bety at teorien må endres for å passe med virkeligheten.

Forskerne ved Fermilab har nå funnet sterke bevis for at det er noe som ikke stemmer, men det er ikke helt klart enda. Men hva er det som ikke stemmer her?

Slik ser standardmodellen ut. De forskjellige partiklene og egenskapene deres er satt i system.
Slik ser standardmodellen ut. De forskjellige partiklene og egenskapene deres er satt i system.

Myonet og elektronet

Myonet er en elementærpartikkel som er veldig lik elektronet, bare mye mer massivt. Mens elektronet er stabilt, og bare fortsetter å eksistere, forsvinner myonet i snitt i løpet av noen få milliondeler av et sekund. Det henfaller til andre partikler.

Dette er likevel nok tid til å kjøre masse myoner inn i en partikkelakselerator og gi dem masse fart – opp mot lysets hastighet. Fysikkprofessor Raklev forteller at dette gir myonet et mye lengre livsløp, siden vi opplever at tiden går saktere for myonet ved disse hastighetene. Dette kalles tidsutvidelse, og er hentet rett fra Einsteins relativitetsteori.

Dermed har fysikerne lengre tid på å måle hvordan partiklene oppfører seg.

I eksperimentet har forskerne ved Fermilab målt en størrelse som kalles «anomalt magnetisk dipol-moment» ved myonet. Det handler om hvordan partikkelen blir påvirket og samhandler med det elektromagnetiske feltet.

Det første hintet om at noe ikke stemte med myonet kom altså fra et lignende eksperiment ved Brookhaven-laboratoriet for rundt 20 år siden.

Dette er et bilde fra et CERN-eksperiment fra 1970-tallet som viser forskjellige partikkelbaner i en partikkeldetektor. En kraftig partikkelkollisjon henfaller til flere andre partikler, blant annet et myon. Myonet lager den karakteristiske spiralen du ser midt i bildet. Der spiralen slutter har myonet henfalt til et elektron, som skyter ut til høyre. Myonet henfaller også til nøytrinoer, men disse partiklene blir ikke plukket opp av detektoren.
Dette er et bilde fra et CERN-eksperiment fra 1970-tallet som viser forskjellige partikkelbaner i en partikkeldetektor. En kraftig partikkelkollisjon henfaller til flere andre partikler, blant annet et myon. Myonet lager den karakteristiske spiralen du ser midt i bildet. Der spiralen slutter har myonet henfalt til et elektron, som skyter ut til høyre. Myonet henfaller også til nøytrinoer, men disse partiklene blir ikke plukket opp av detektoren.

Gjentok eksperimentet

Men de kunne ikke måle partiklene med stor nok presisjon, og eksperimentet ble flyttet og utviklet. Først blir myon-partiklene akselerert opp mot lysets hastighet, før de sendes inn i den digre magneten.

Den store magneten lager et magnetfelt som brukes til å dytte på myonene, sånn at de havner i en kontrollert tumling. Denne tumlingen kan forskerne måle.

– De oppfører seg litt som en snurrebass som lener seg på siden. De spinner både rundt sin egen akse, men også rundt på den horisontale aksen, sier Raklev.

Jordkloden oppfører seg også sånn. Den spinner rundt sin egen akse, samtidig som selve aksen også går rundt et punkt, slik som i animasjonen under.

Standarmodellen kan forutsi hvor mange ganger myoner burde snurre rundt på en lignende måte i løpet av perioden inne i den superledende magneten, og med disse tallene beregnes den såkalte g-faktoren.

Og det er altså en forskjell mellom den teoretiske g-faktoren og den målte varianten.

Dette er resultater med ekstrem presisjon. Mens g-faktoren fra standardmodellen beregnes til 2.0023318361, er den eksperimentelle verdien på 2.0023318408.

Men dette er et så stort avvik at det kan skape trøbbel for hele standardmodellen. Resultatene fra eksperimentene skiller nå så mye at forskjellen sannsynligvis ikke er tilfeldig, og det trengs ny fysikk for å forklare den. Men det kan altså ikke slås helt fast enda.

Dette kan forklares med hypotetiske, uoppdagede partikler, som påvirker myonet på en måte fysikerne ikke forstår enda. En av flere kandidater kan være såkalte leptokvarker - en ny type partikler som ikke er oppdaget enda.

– Dette er noe man kan lete etter i LHC, sier Raklev til forskning.no.

Men resultatene fra Fermilab-eksperimentet har ikke nådd et nivå hvor dette regnes som en oppdagelse enda, men den er tett på.

Samtidig er dette basert på målinger fra den første kjøringen av eksperimentet, og flere resultater er ventet derfra i løpet av det neste året. Raklev mener det kommer et tydeligere resultat i løpet av neste sommer, så da vil bildet bli klarere.

Men samme dag som Fermilab annonserte sine resultater, ble det publisert en artikkel i tidsskriftet Nature som kanskje snur på hele saken.

Et forstyrrende resultat

For det er noen ugler i mosen som har dukket opp. Denne Nature-artikkelen viser en ny måte å lage en teoretisk beregning fra standardmodellen som beskriver det samme. Det kalles Lattice QCD, og er en mer regneintensiv metode som tar i bruk store superdatamaskiner.

Pussig nok førte denne metoden fram til et svar som ligner mer på resultatene fra eksperimentene, enn de tidligere teoretiske prediksjonene.

Raklev forteller at dette forkludrer bildet. Hvis standardmodellen egentlig viser seg å gi det samme svaret som eksperimentene, er det kanskje ikke noe rart med myonet allikevel.

– Dette er allikevel bare én gruppe, og det er flere som kommer til å undersøke det samme.

Hvis det skulle vise seg at myonet oppfører seg slik fysikerne tror at det gjør, vil de nye verdiene fra standardmodellen åpne nye sprekker andre steder, forklarer Raklev. Han peker på potensielle problemer med den svake kjernekraften - en av de grunnleggende naturkreftene.

Are Raklev tror også at nye utregninger vil komme på banen, slik at forskerne kan bli mer sikre på om det er noe rart med myonet eller ikke.

Fram mot publiseringen av nye resultater, vil fysikerne teste mange hypotetiske forklaringer på hva som egentlig foregår her.

Vi vil gjerne høre fra deg!

TA KONTAKT HER
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? Eller tips om noe vi bør skrive om?

Powered by Labrador CMS