Als een enorm probleem voor natuurkundigen, weegt het fundamentele deeltje zwaarder dan verwacht

Het model dat we hebben om het universum te begrijpen fundamentele deeltjes Een beetje zoals een versnellingsbak: een kleine verandering in de eigenschappen van een enkel deeltje gooit ook andere deeltjesmechanica weg.

Dus wanneer een onderzoekspaper wordt gepubliceerd waarin wordt vastgesteld dat de massa van een enkel fundamenteel deeltje enigszins afwijkt van wat eerder werd aangenomen, doet het meer dan alleen de natuurkundige wereld verbazen. Als het waar is, zou een dergelijke ontdekking kunnen betekenen dat de onderliggende fysica “fout” is op een manier die nog moet worden bepaald, en zal veranderen Deeltjesfysica voor de komende decennia.

Ons begrip van fundamentele deeltjes, het standaardmodel van de deeltjesfysica, is een van de grootste prestaties van de mensheid in de afgelopen 150 jaar. Het kostte duizenden natuurkundigen en ingenieurs die meer dan een eeuw hebben gewerkt om alle stukjes bij elkaar te krijgen, te beginnen met de ontdekking van het elektron in 1897 en eindigend met Ontdekking Van het verziende Higgs Boson in 2012.

Eerder deze maand, na 20 jaar analyse, maakten wetenschappers van de Collider Detector in Fermilab (CDF) bekend dat ze de meest nauwkeurige meting van de massa van het W-deeltje hadden gedaan. Na miljoenen experimenten en observaties heeft de massameting 1.43385738×10 . bereikt^-22 gram. (Dit klinkt licht, maar het is zwaarder dan het zou moeten zijn.)

De nauwkeurigheid van het meten van een van de krachtdragende deeltjes van de natuur is opmerkelijk: de wetenschappers zeggen dat de gemodificeerde massa van het deeltje 0,01% is – twee keer de nauwkeurigheid van de vorige beste meting. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science.

Verwant: Waarom sommige natuurkundigen wantrouwend staan ​​tegenover het muon-experiment dat duidt op ‘nieuwe fysica’

Maar er is één groot probleem: deze meting is in strijd met de waarde die wetenschappers gebruiken bij de theoretische invoer van het standaardmodel. Met andere woorden, als het waar is, zou de meting van massa suggereren dat het standaardmodel van de fysica – een gouden standaardtheorie die de vier bekende krachten in het universum en alle fundamentele deeltjes verklaart – op wankele grond staat.

In tegenstelling tot andere fundamentele deeltjes zoals quarks, elektronen en fotonen, is het W-boson geen deeltje waarover men normaal gesproken in de wetenschap op school zou leren. Net als deze deeltjes zijn ze echter fundamenteel voor de vorming van materie in het universum. Het W-deeltje is een boodschapperdeeltje in wat bekend staat als de “zwakke kernkracht”, die deel uitmaakt van de vier fundamentele interacties die bekend zijn in de deeltjesfysica. De andere zijn elektromagnetisme, sterke interactie en zwaartekracht. Hoewel de elektromagnetische kracht en zwaartekracht normaal zijn voor menselijke interacties en het dagelijks leven, en de sterke kracht de atoomkernen bij elkaar houdt, is de zwakke interactie niet duidelijk zichtbaar. De zwakke kracht is echter betrokken bij het radioactieve verval van atomen, en is net zo onmisbaar als de andere krachten voor de manier waarop ons universum er vandaag uitziet als een van de andere drie krachten. De zwakke interactie kan niet plaatsvinden zonder de hulp van het W-boson.

Om de nieuwe meting van de massa van het W-deeltje uit te voeren, gebruikten de onderzoekers botsingsgegevens van Fermi Nationaal Versneld Laboratorium, Een deeltjesversneller is nu buiten dienst in Illinois. De deeltjesversneller van Fermilab vuurt protonen en antiprotonen op elkaar af met bijna de lichtsnelheid en observeert nauwkeurig de explosie van energetische deeltjes die het gevolg zijn van de gevolgen, en lokt vervolgens hun eigenschappen uit.

Tijdens zijn werking slaagde de versneller erin om vier miljoen filterbosonen te accumuleren, waarvan de eigenschappen herhaaldelijk werden gemeten. Door middel van uitgebreide berekeningen kwamen de wetenschappers tot hun metingen, die nauwkeurig waren tot zeven standaarddeviaties – veel hoger dan de vijf standaarddeviaties die leidden tot een statistisch resultaat van de gouden standaard.

Kotwal van Duke University, die de analyse leidde en een van de 400 wetenschappers is in de CDF-samenwerking, Ze zeiIn een persbericht. “We hebben rekening gehouden met ons verbeterde begrip van onze deeltjesdetector en met de vooruitgang in theoretisch en experimenteel begrip van de interacties van het W-boson met andere deeltjes. Toen we eindelijk het resultaat onthulden, ontdekten we dat het verschilde van de voorspelling van het standaardmodel. “

het verschil? Nieuwe metingen brengen het W-boson op ongeveer een tiende van een procent meer massa dan eerder werd verwacht en geaccepteerd. Dit klinkt klein, maar het is genoeg om een ​​enorm probleem voor de deeltjesfysica te veroorzaken – als het waar is.

“Het feit dat de gemeten massa van het W-deeltje niet overeenkomt met de massa die in het standaardmodel wordt verwacht, kan drie dingen betekenen: de wiskunde is verkeerd, de meting is verkeerd, of er ontbreekt iets in het standaardmodel,” Hij schrijft Hoogenergetische deeltjesfysicus John Conway in gesprek.

Met andere woorden, het aanbrengen van wijzigingen aan het standaardmodel zou niet alleen van invloed zijn op het standaardmodel – het zou de hele natuurkunde en ons begrip van het universum door elkaar kunnen schudden.

“Het is nu aan de theoretische natuurkundegemeenschap en andere experimenten om dit op te volgen en licht te werpen op dit mysterie”, zei CDF-woordvoerder David Tupac in een persbericht. “Als het verschil tussen de experimentele waarde en de verwachte waarde wordt veroorzaakt door een soort nieuw deeltje of subatomaire interactie, wat een mogelijkheid is, is de kans groot dat het iets is dat in toekomstige experimenten kan worden ontdekt.”

Het standaardmodel is ongelooflijk succesvol gebleken in het voorspellen van de eigenschappen van zijn samenstellende deeltjes, en zelfs die van voorheen onzichtbare deeltjes. Vanwege hun wonderbaarlijk profetische karakter proberen natuurkundigen graag gaten te maken, wat nieuwe ontdekkingen en nieuwe natuurkunde kan opleveren. In feite, zoals Ik noemde salon In 2021 leverde het Muon g-2-experiment van Fermilab vreemde resultaten op die enigszins verschilden van wat het standaardmodel had voorspeld, hoewel deze resultaten de ‘gouden standaard’ van vijf standaarddeviaties die ze definitief zouden maken, niet overtroffen.

Wil je meer gezondheids- en wetenschappelijke verhalen in je inbox? Abonneer je op de wekelijkse nieuwsbrief van de salon vulgaire wereld.

Maar als het gaat om het maken van zeer nauwkeurige metingen met een kleine foutmarge, zeggen sommige natuurkundigen dat het ook mogelijk is dat het experiment gebreken vertoont, in plaats van het standaardmodel.

“Je zou kunnen vragen: ‘Kan dit een experimenteel effect zijn, een empirische fout, en zou dit een titratiebron daarvoor kunnen zijn?’ Nou, het is een mogelijkheid”, zegt Bruce Shum, een professor in de natuurkunde aan de University of California-Santa Cruz, en auteur van A populair boek in deeltjesfysica, vertelde hij aan Salon. “Als het verschil” [in mass] Het is een fout, misschien ja, de kalibratie van de detector is een zeer waarschijnlijke oorzaak van deze fout, dus de fout.”

Shum zei dat het belangrijk is om onderscheid te maken tussen: Gezondheid En oordelenMerk op dat een onnauwkeurige meting zeer nauwkeurig kan worden uitgevoerd.

“Nauwkeurigheid is de grootte van de onzekerheid, en nauwkeurigheid is de grootte van de potentiële fout,” zei Shum. “Je zou iets heel subtiels kunnen hebben, maar het is enorm verkeerd.”

Shum zei dat de nieuwe meting van de W-bosonmassa van de CDF “een rookpistool miste” – met name een duidelijk gedefinieerde reden dat andere metingen van verschillende experimenten niet overeenkomen met het CDF-resultaat voor de W-bosonmassa.

“Het is denkbaar dat alle andere metingen iets missen en de CDF-meting doet het zorgvuldiger en krijgt het juiste antwoord,” zei Shum. “Maar ik denk dat naar alle waarschijnlijkheid het CDF-resultaat verkeerd is, of dat de andere reeks resultaten verkeerd is.”

Eerder vertelde Shum aan Salon dat het “overdramatisch” was om te zeggen dat het standaardmodel volledig zou worden herschreven of ingetrokken.

Shum zei: “Het standaardmodel staat sinds de dag van zijn uitvinding altijd bekend als de zogenaamde ‘effectieve theorie’. Hij vergeleek het standaardmodel met het ’topje van een ijsberg’, waar de tip goed wordt waargenomen en begrepen, zelfs als we niet helemaal weten wat er onder water ligt.’ [the Standard Model] Hij zal nooit worden omvergeworpen, als een representatie van dat topje van de ijsberg.”

Lees meer over deeltjesfysica: