นักวิทยาศาสตร์พบคำแนะนำของอนุภาคใหม่หรือพลังแห่งธรรมชาติ และมันสามารถเปลี่ยนแปลงฟิสิกส์ได้

เมื่อ 3,200 ปีที่แล้ว แม่เหล็กขนาดใหญ่ถูกขนส่งเป็นระยะทางกว่า 5,150 ไมล์ (XNUMX กม.) ข้ามบกและในทะเล ด้วยความหวังว่าจะได้ศึกษาอนุภาคย่อยที่เรียกว่ามิวออน

มิวออนมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับอิเล็กตรอน ซึ่งโคจรรอบทุกอะตอมและก่อตัวเป็นหน่วยการสร้างของสสาร อิเล็กตรอนและมิวออนมีคุณสมบัติที่ทำนายได้อย่างแม่นยำโดยทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่ดีที่สุดของเราในปัจจุบันซึ่งอธิบาย subatomic ควอนตัม โลก แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค.

นักวิทยาศาสตร์ทั้งรุ่นได้อุทิศตนเพื่อวัดคุณสมบัติเหล่านี้อย่างละเอียดถี่ถ้วน ในปี 2001 การทดลองบอกเป็นนัยว่าคุณสมบัติของมิวออนไม่ตรงตามแบบจำลองมาตรฐานที่คาดการณ์ไว้ทุกประการ แต่จำเป็นต้องมีการศึกษาใหม่เพื่อยืนยัน นักฟิสิกส์ย้ายส่วนหนึ่งของการทดลองไปยังเครื่องเร่งความเร็วใหม่ที่ Fermilab และเริ่มรับข้อมูลเพิ่มเติม

A วัดใหม่ ได้ยืนยันผลเบื้องต้นแล้ว ซึ่งหมายความว่าอาจมีอนุภาคหรือกองกำลังใหม่ซึ่งไม่ได้ระบุไว้ในแบบจำลองมาตรฐาน หากเป็นกรณีนี้ กฎของฟิสิกส์จะต้องได้รับการแก้ไขและไม่มีใครรู้ว่าจะนำไปสู่จุดใด

ผลลัพธ์ล่าสุดนี้มาจากความร่วมมือระดับนานาชาติ ซึ่งเราทั้งคู่ต่างก็เป็นส่วนหนึ่ง ทีมของเราได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาคเพื่อวัดคุณสมบัติที่เรียกว่าโมเมนต์แม่เหล็กของมิวออน

มิวออนแต่ละตัวจะมีพฤติกรรมเหมือนแท่งแม่เหล็กขนาดเล็กเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็ก ซึ่งเรียกว่าโมเมนต์แม่เหล็ก Muons ยังมีคุณสมบัติที่แท้จริงที่เรียกว่า "สปิน" และความสัมพันธ์ระหว่างสปินกับโมเมนต์แม่เหล็กของมิวออนนั้นเรียกว่า g-factor ค่า "g" ของอิเล็กตรอนและมิวออนคาดว่าจะเป็น 2 ดังนั้น g ลบ XNUMX (g-XNUMX) จึงควรวัดให้เป็นศูนย์ นี่คือสิ่งที่เรากำลังทดสอบที่ Fermilab

สำหรับการทดสอบเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เครื่องเร่งความเร็ว ซึ่งเป็นเทคโนโลยีชนิดเดียวกัน เซิร์น ใช้ที่ LHC เครื่องเร่งอนุภาค Fermilab ผลิตมิวออนในปริมาณมากและวัดได้อย่างแม่นยำมาก แม่นยำมากว่าพวกมันมีปฏิกิริยาอย่างไรกับสนามแม่เหล็ก

พฤติกรรมของมิวออนได้รับอิทธิพลจาก "อนุภาคเสมือน" ที่โผล่เข้าและออกจากสุญญากาศ สิ่งเหล่านี้มีอยู่ชั่วขณะ แต่นานพอที่จะส่งผลต่อวิธีที่มิวออนมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กและเปลี่ยนโมเมนต์แม่เหล็กที่วัดได้ แม้ว่าจะมีเพียงเล็กน้อย

แบบจำลองมาตรฐานทำนายได้อย่างแม่นยำมาก ว่าเอฟเฟกต์นี้เป็นอย่างไร ดีกว่าหนึ่งในล้าน ตราบใดที่เรารู้ว่าอนุภาคใดเดือดปุด ๆ เข้าและออกจากสุญญากาศ การทดลองและทฤษฎีก็ควรตรงกัน แต่ถ้าการทดลองและทฤษฎีไม่ตรงกัน ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับซุปของอนุภาคเสมือนอาจไม่สมบูรณ์

อนุภาคใหม่

ความเป็นไปได้ของอนุภาคใหม่ที่มีอยู่ไม่ใช่การเก็งกำไรที่ไม่ได้ใช้งาน อนุภาคดังกล่าวอาจช่วยในการอธิบายปัญหาใหญ่หลายประการในวิชาฟิสิกส์ เหตุใดเอกภพจึงมี สสารมืดมาก-cทำให้กาแล็กซีหมุนเร็วกว่าที่เราคาดไว้-และทำไมการต่อต้านสสารเกือบทั้งหมดที่สร้างขึ้นในบิ๊กแบงจึงหายไป?

ปัญหาในปัจจุบันคือไม่มีใครเคยเห็นอนุภาคใหม่ที่เสนอเหล่านี้ หวังว่า LHC ที่ CERN จะทำให้เกิดการชนกันระหว่างโปรตอนพลังงานสูง แต่ก็ยังไม่มีใครสังเกตเห็น

การวัดใหม่นี้ใช้เทคนิคเดียวกับการทดลองที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรู๊คฮาเวนในนิวยอร์กเมื่อต้นศตวรรษ ซึ่งตามมาด้วยชุดการวัดที่ CERN

การทดลอง Brookhaven วัดความคลาดเคลื่อนกับแบบจำลองมาตรฐานที่มีโอกาส 1 ใน 5,000 ที่จะเป็นความบังเอิญทางสถิติ นี่เป็นความน่าจะเป็นโดยประมาณเท่าๆ กับการโยนเหรียญ 12 ครั้งติดต่อกัน ทุกหัวขึ้น

สิ่งนี้ยั่วเย้า แต่ต่ำกว่าเกณฑ์สำหรับการค้นพบซึ่งโดยทั่วไปจะต้องดีกว่าหนึ่งใน 1.7 ล้านคน-หรือโยนเหรียญ 21 เหรียญติดต่อกัน เพื่อตรวจสอบว่าฟิสิกส์ใหม่กำลังเล่นอยู่หรือไม่ นักวิทยาศาสตร์จะต้องเพิ่มความไวของการทดลองเป็นสี่เท่า

ในการทำให้การวัดดีขึ้น แม่เหล็กที่เป็นหัวใจของการทดลองจะต้องถูกย้ายในปี 2013 3,200 ไมล์จากลองไอส์แลนด์ตามแนวทะเลและถนน ไปยัง Fermilab นอกเมืองชิคาโก ซึ่งเครื่องเร่งอนุภาคสามารถผลิตมิวออนได้มากมาย

เมื่อเข้าที่แล้ว การทดลองใหม่ก็ถูกสร้างขึ้นรอบๆ แม่เหล็กด้วยเครื่องตรวจจับและอุปกรณ์ที่ทันสมัย การทดลอง muon g-2 เริ่มใช้ข้อมูลในปี 2017 โดยได้รับความร่วมมือจากทหารผ่านศึกจากการทดลองในบรู๊คฮาเวนและนักฟิสิกส์รุ่นใหม่

ผลลัพธ์ใหม่จากข้อมูลปีแรกที่ Fermilab สอดคล้องกับการวัดจากการทดลองใน Brookhaven การรวมผลลัพธ์ช่วยตอกย้ำกรณีความไม่ลงรอยกันระหว่างการวัดทดลองกับแบบจำลองมาตรฐาน ตอนนี้โอกาสอยู่ที่ประมาณหนึ่งใน 40,000 ของความคลาดเคลื่อนเป็นความบังเอิญ-ยังคงขี้อายกับเกณฑ์การค้นพบมาตรฐานทองคำ

LHC

น่าแปลกที่ การสังเกตล่าสุดโดยการทดลอง LHCb ที่ CERN ยังพบความเบี่ยงเบนที่เป็นไปได้จากแบบจำลองมาตรฐาน สิ่งที่น่าตื่นเต้นคือสิ่งนี้ยังหมายถึงคุณสมบัติของมิวออนด้วย คราวนี้เป็นความแตกต่างในการผลิตมิวออนและอิเล็กตรอนจากอนุภาคที่หนักกว่า อัตราทั้งสองคาดว่าจะเท่ากันในแบบจำลองมาตรฐาน แต่การวัดจากการทดลองพบว่าแตกต่างกัน

เมื่อนำมารวมกัน ผลลัพธ์ของ LHCb และ Fermilab เสริมความแข็งแกร่งให้กับกรณีที่เราได้สังเกตเห็นหลักฐานแรกของการทำนายแบบจำลองมาตรฐานที่ล้มเหลว และมีการค้นพบอนุภาคหรือแรงใหม่ในธรรมชาติ

สำหรับการยืนยันขั้นสุดท้าย ข้อมูลนี้ต้องการข้อมูลเพิ่มเติมทั้งจากการทดลอง Fermilab muon และจากการทดลอง LHCb ของ CERN ผลลัพธ์จะออกมาในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า Fermilab มีข้อมูลมากกว่าที่ใช้ในผลลัพธ์ล่าสุดสี่เท่า ซึ่งขณะนี้อยู่ระหว่างการวิเคราะห์ CERN เริ่มรับข้อมูลมากขึ้น และกำลังสร้างการทดลองมิวออนรุ่นใหม่ นี่เป็นยุคที่น่าตื่นเต้นสำหรับฟิสิกส์

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตภาพ: เฟอร์มิแล็บ/เรย์ดาร์ ฮาห์น

ที่มา: https://singularityhub.com/2021/04/09/scientists-found-hints-of-new-particles-or-forces-of-nature-and-it-could-change-physics/