Muon g2 experiment. Fermilab
Ondanks het enorme succes in het voorspellen van het bestaan van nieuwe deeltjes en krachten, is het Standaard Model van de deeltjesfysica, meer dan 50 jaar geleden ontworpen om de kleinste bouwstenen van de natuur te verklaren, niet de complete “theorie van alles” waar natuurkundigen naar hebben verlangd.
De theorie heeft verschillende problemen. Het beschrijft noch de zwaartekracht noch de onbekende componenten die het grootste deel van de energiedichtheid in het universum vormen: donkere materie en donkere energie. Deeltjesfysici zijn daarom op een speurtocht naar elke mogelijke afwijking van het “verwachte” gedrag die zou kunnen wijzen op nieuwe fysica.
Nu heeft ons grote internationale team van natuurkundigen dat werkt aan het Muon g-2 experiment in Fermilab in de VS, een meting gedaan van hoe een bepaald fundamenteel deeltje wiebelt die enorme gevolgen zou kunnen hebben voor de status van het Standaard Model.
Ons resultaat, dat nog niet door vakgenoten is beoordeeld maar wel is ingediend bij Physical Review Letters, bevestigt resultaten uit 2021 en werpt licht op een enorm raadsel in de theoretische natuurkunde – waarvoor een mogelijke oplossing nieuwe deeltjes of krachten zouden kunnen zijn die de meting beïnvloeden.
Een fundamentele bouwsteen in het Standaard Model is het muon, een deeltje dat lijkt op een elektron maar 200 keer massiever is. Het muon heeft een lange geschiedenis van revolutie in de deeltjesfysica – zelfs de ontdekking ervan was een schok.
Ons experiment bestudeert de wisselwerking tussen deze deeltjes en een magnetisch veld van 1,45 Tesla. Hierdoor gaan de muonen wiebelen als tollen, waarbij de snelheid van het wiebelen evenredig is met de sterkte van het veld.
Het experiment produceert miljarden muonen en slaat deze op in een cirkelvormige magneet met een diameter van 14 meter, de zogenaamde opslagring. Uiteindelijk vervallen muonen tot elektronen, die worden geteld door detectoren aan de binnenkant van de ring.
Een andere speling van de natuur betekent dat het aantal gedetecteerde elektronen evenredig varieert met de snelheid van het wiebelen. Het tellen van elektronen vertelt ons dus hoe snel de muonen wiebelen. En hoe meer elektronen je telt, hoe nauwkeuriger de meting wordt.
De interactie tussen het wiebelen van het muon en het veld wordt gekwantificeerd door een dimensieloze constante genaamd “g”, de gyromagnetische verhouding. De natuurkundige Paul Dirac voorspelde dat de waarde g = 2 zou zijn. Maar volgens de kwantummechanica, de theorie die de subatomaire wereld beheerst en waarop het Standaardmodel is gebaseerd, is de lege ruimte gevuld met “virtuele” deeltjes, die een vluchtig moment verschijnen en dan weer verdwijnen door annihilatie.
Deze deeltjes beïnvloeden de interactie van het muon met het magnetische veld, waardoor g iets meer wordt dan 2. Daarom heet het experiment, dat dit verschil bestudeert, “g-2”. Eventuele ontbrekende stukjes in het Standaard Model zouden de snelheid iets hoger of lager maken dan voorspeld, waardoor dit een krachtig zoekinstrument is voor nieuwe fysica.
Een meting in Brookhaven National Laboratory in de VS zorgde in 2004 voor opschudding nadat werd ontdekt dat de wiebel iets sneller was dan verwacht, wat mogelijk op iets nieuws wees. De waarde werd in april 2021 opnieuw gemeten in Fermilab, waardoor de oorspronkelijke meting werd bevestigd en de kloof tussen experiment en theorie groter werd.
Resultaten grafiek, met foutbalken.
Fermilab
Nu onderzoekt ons nieuwe resultaat van Fermilab, met gegevens verzameld in 2019 en 2020, vier keer zoveel muonen als het resultaat van 2021, waardoor de totale onzekerheid met een factor twee wordt teruggebracht. Dit maakt de meting de meest nauwkeurige bepaling van de wiebel van het muon ooit.
Nauwkeurigheid vergroten
In de praktijk is het experiment veel uitdagender dan alleen het tellen van muonen. Hoewel de statistische onzekerheid is gereduceerd, waren er andere verbeteringen nodig om de meting nog nauwkeuriger te maken. De richting van het magneetveld bepaalt de as van de wiebel, dus het onder controle houden van de temperatuurschommelingen van de magneet was cruciaal.
Verschillen in temperatuur zorgen er ook voor dat de stukjes magneet uitzetten en krimpen, waardoor het magneetveld iets verandert. Op ons nauwkeurigheidsniveau kan zelfs een verandering van een duizendste millimeter een enorm effect hebben op de wobble. Daarom werd er een thermische laag om de ring aangebracht en een koelsysteem in de experimentele hal.
Een andere uitdaging is het feit dat muonen in de ring niet in een perfect cirkelvormige baan willen blijven – ze willen juist rondzwemmen en alle gebieden van de ring verkennen. Daarom hebben we de hoogspanningssystemen die de bundel naar de juiste plek duwen geüpgraded.
Conventioneel schatten deeltjesfysici hoe goed twee resultaten (bijvoorbeeld een theoretische en een experimentele onne) overeenkomen door een statistische maat te gebruiken die sigma wordt genoemd. Hiermee kan de kans worden geschat dat een verschil een statistische toevalstreffer is. Deze keer heeft dat echter geen zin, omdat het steeds onduidelijker wordt met welke voorspelling van het Standaardmodel we het resultaat moeten vergelijken.
Een samenwerking van theoretici, genaamd het Muon g-2 Theory Initiative, berekende hun waarde in 2020. Die werd gebruikt in 2021 en gaf een sigma van 4,2, wat suggereerde dat de kans dat het resultaat een toevalstreffer was één op 40.000 was. Maar sindsdien zijn er ontwikkelingen geweest die nieuwe voorspellingen hebben opgeleverd: een van een nieuwe benadering door een andere groep theoretici.
Er is ook een bijgewerkte experimentele meting van de CMD-3 samenwerking in Rusland die zal worden meegenomen in nieuwe berekeningen. Deze zouden de waarde van 2020 kunnen veranderen, waardoor ze mogelijk meer in lijn komen met het Standaard Model.
Het is duidelijk dat er enorme uitdagingen zijn aan beide kanten van het verhaal, waar de theorie het niet eens is met de theorie. Onze samenwerking werkt nu toe naar ons definitieve experimentele resultaat, dat in 2025 wordt verwacht, met behulp van de volledige dataset – meer dan twee keer zoveel gegevens. Maar totdat de controverse over de theorie is opgelost, blijft er een wolk van twijfel hangen over elke interpretatie van de discrepantie.
Er zijn twee mogelijke uitkomsten. De theorie en het experiment kunnen het uiteindelijk niet eens worden, wat betekent dat er zich hier al die tijd nieuwe deeltjes of natuurkrachten hebben verstopt. Dit zou kunnen betekenen dat het Standaard Model uiteindelijk faalt en een update nodig heeft. Of de bijgewerkte voorspellingen dichten de kloof, wat een enorme opsteker zou zijn voor het Standaard Model.
Hoe dan ook, onze ultraprecieze meting zet de toon voor de uiteindelijke krachtmeting.
Dominika Vasilkova ontvangt financiering van de Leverhulme Trust.
Ce Zhang ontvangt financiering van de Leverhulme Trust.
Elia Bottalico ontvangt financiering van de Leverhulme Trust.
Saskia Charity ontvangt financiering van UKRI (STFC).
