Mala astronomía | El experimento de Muon indica una nueva física

Los muones no giran como predice el mejor modelo físico. ¿Por qué no? Esto podría deberse a partículas subatómicas completamente desconocidas que aparecen y desaparecen en la espuma cuántica.

Esta no es una especie de tecnología de ciencia ficción. Esto es de resultados experimentales reales.Y el universo puede estar diciéndonos que todavía no entendemos todo sobre él.

Estos resultados altamente emocionantes y potencialmente revolucionarios provienen de FermilabLaboratorio de Acelerador de Partículas de Alta Energía en Illinois. Allí realizan diferentes tipos de experimentos, Y uno se llama Muon g-2 (Literalmente, “g menos 2”), que examina una partícula subatómica llamada Mi en.

Los muones son como electrones Tienen carga negativa, por ejemplo, y el mismo giro (propiedad fundamental de una partícula, que cobrará importancia en un instante), aunque es 200 veces mayor.

Usando todo lo que sabemos sobre partículas subatómicas (llamado Forma estándar), Los físicos pueden predecir mucho el comportamiento de los muones. Por ejemplo, una partícula cargada que gira tiene una propiedad magnética asociada llamada A. MomentoEs una medida de la fuerza y ​​la dirección de un campo magnético. Si coloca un muón en un campo magnético, pasará por una oscilación llamada una introducción; Esto es físicamente similar a mover la parte superior de un juego mientras gira sobre la mesa.

Los modelos predicen esta iniciativa con mucha precisión. Al máximo. Los físicos asignan un valor a esto llamado El factor g, Que está muy cerca de 2, pero no del todo igual.

Aquí es donde se divierten las cosas: en nuestra escala macroscópica, nos gusta pensar que el espacio es fluido y continuo. Pero en una escala cuantitativa, una escala muy pequeña (como 10^-35 Metros!) La mecánica cuántica implica que el espacio No Continuo y suave, y en su lugar puede venir en unidades separadas, como marcas de graduación en un gráfico. Esto significa, a esta escala, que el espacio puede no estar vacío, sino que hierva y espume con energía.

A veces, esta energía crea automáticamente un par de partículas subatómicas (porque la masa y la energía son dos caras de la misma moneda, E es igual a mc² Y todo eso). Estas partículas pueden llegar a existir, pero las mismas leyes de la realidad cuántica requieren que las partículas interactúen instantáneamente y se conviertan en energía nuevamente, volviendo a la energía del vacío. Esto se llama (y me encanta esto) El Espuma de manga.

La rotación de un muón en un campo magnético se ve afectada por la espuma cuántica. Si no hay espuma, el valor del factor g será muy cercano a 2. Pero las partículas que aparecen y desaparecen afectan la oscilación del muón. Se llama Momento magnético anómalo, Desviación del valor habitual.

El Modelo Estándar predice el valor de este momento anómalo al observar todo lo que se conoce sobre fuerzas y partículas. Debes ser muy preciso. Sin embargo, siempre es bueno estar seguro, y eso es lo que hace el experimento Muon g-2. Inyecta muones en un campo magnético muy estable. Medidas Volatilidad, que luego se puede comparar con una predicción. Si están de acuerdo, bueno, entonces entendemos cómo se comporta el universo de la mecánica cuántica.

Si no … bueno. Eso sería divertido, ¿no?

El modelo estándar predice el momento magnético anómalo del muón 0,00116591810 (± 0.00000000043; como dije, muy preciso).

La nueva experiencia Obtiene valor 0,00116592061 (± 0,00000000041).

Estos son diferentes. La diferencia es pequeña, por supuesto, solo 0,0002%. Pero aun así, deben ser iguales. Y no lo son.

Esta pequeña diferencia significa mucho. Esto significa que ¡Hay fuerzas y / o partículas que operan a escala cuántica de las que no sabemos nada!

Bien quizás. Aquí está el mono en la llave inglesa: los resultados no son Muy lejos Incluso tabaco estadístico. Es muy probable que se deba a una casualidad. Es como lanzar una moneda al aire: si aparece cara a cara tres veces seguidas, podría pensar que la moneda está falsificada, pero hay una probabilidad de 1 en ocho de que suceda al azar. Cuanto más le dé la vuelta y lo vea cara a cara, es menos probable que sea aleatorio.

Los científicos usan el término llamado Sigma Para medir esta oportunidad. El estándar de oro en los experimentos de física de partículas es cuando el experimento se encuentra en el rango de cinco sigma, lo que significa que tiene una probabilidad aleatoria de aproximadamente uno en tres millones de ocurrir, o, si lo prefiere, un 99,99997% de probabilidad de ser real (Un sigma equivale aproximadamente al 68%, dos al 95%, tres al 97%, etc., Arrastre más cerca del 100%). Los resultados del experimento del factor g de Muon fueron solo 4.2 sigma, lo que significa que todavía tenían una probabilidad de 1 en 38,000 de deberse a ruido aleatorio.

Sin embargo, esta es una probabilidad del 99,997% de que no se deba a una probabilidad aleatoria, lo cual es muy bueno.^*. No basta con que los físicos declaren la victoria. La buena noticia es que aún no ha terminado. El experimento se ha realizado tres veces hasta ahora, una cuarta está en marcha y se planea una quinta ejecución. Los científicos han estado examinando datos de esos primeros procesos, pero eso es solo alrededor del 6% de la cantidad total de datos que esperan del experimento. Para usar la medida anterior, parece que lanzaron la moneda varias veces y obtuvieron resultados extraños, pero aún así la lanzarían varias veces para estar seguros.

Si el resto de los datos se alinea con lo que han visto hasta ahora, pasarán la certeza de cinco sigma. Y si eso sucede, definitivamente significa que el universo es más extraño y más misterioso que la mecánica cuántica como la conocemos nos dice … y esto Previamente Nos estaba diciendo que el universo era extraño.

Si quieres todo esto en forma de cómic, Entonces Georges Cham lo tiene cubierto:

Probablemente esto sea muy emocionante. El Modelo Estándar fue muy exitoso (por ejemplo, predijo la existencia del bosón de Higgs, que Se encontró por primera vez hace unos años.Pero sabemos que tiene grietas, cosas que tampoco puedes predecir. En este caso, los muones flotan, giran y oscilan en un campo magnético, dirigiéndonos hacia más física que aún no entendemos, o de la que ni siquiera sabemos nada.

Este es el sueño de todo físico de partículas. Cuando los experimentos verifican una buena teoría, es como demostrar que el camino detrás de nosotros está bien pavimentado.

Pero, ¿qué nos espera en el futuro?

[Correction (16:00 UTC on April 8, 2021): I originally calculated the percentages incorrectly on those chances, adding an extra two 9s in the decimal point (in other words I had written them as straight odds, not percentages, like a 0.01 chance is 1%). Arg! The numbers are now fixed. Also, I changed the phrasing a bit; the statistics only cover random chance. There could also be systematic errors, that is, something not accounted for in the equipment, or the math, or whatever. Those aren’t random, and are difficult to account for. I just want to make sure I’m covering the bases here.]