我们正处在一个科学发现的新时代的边缘吗?

Fermilab的Muon G-2实验

费米实验室的介子g-2实验的中心是一个直径50英尺的超导磁存储环,它坐落在探测器大厅的电子架、介子束线和其他设备中间。资料来源:Reidar Hahn,费米实验室

2001年,在纽约乌普顿国家实验室,一个用于研究核和高能量物理学的设施,科学家试验称为μ子的解剖粒子遇到意外的东西。

解释在宇宙中起作用的基本物理力,并预测高能粒子实验的结果,比如在伊利诺斯州的布鲁克海文,费米实验室和欧洲核子研究中心在瑞士日内瓦的大号勒罗兰人,物理学家依靠数十年的旧理论叫做标准模型,当它们通过在超导磁储存环中产生的强烈磁场烧制时,应该解释μON的精确行为。当Brookhaven实验中的μ子以不同于其预测的方式做出反应时,研究人员意识到他们正在发现一个发现的强调,这可能改变科学对宇宙如何工作的理解。

Earlier this month, after a decades-long effort that involved building more powerful sensors and improving researchers’ capacity to process 120 terabytes of data (the equivalent of 16 million digital photographs every week), a team of scientists at Fermilab announced the first results of an experiment calledμg - 2这表明Brookhaven发现没有侥幸,科学是在前所未有的发现的边缘。

UVA物理学教授DinkoPočanić一直参与了Muon G-2的实验,这是两十年的更好的部分,而UVA今天与他交谈,了解更多关于它意味着什么。

问:Brookhaven和Fermilab Muon G-2实验的发现是什么?为什么重要?

a .所以,在布鲁克海文国家实验室的实验中,他们几个测量正面和负面的μ介子——一个不稳定的、更大规模的电子的表亲——在不同的情况下,当他们平均测量,他们量化一个磁异常特征的μ介子比以往更精确。根据相对论量子力学,介子的磁矩强度(它与罗盘指针或棒状磁铁共有的特性)应该是两个适当的无量纲单位,与电子一样。然而,标准模型表明,它不是两个,它更大一点,而那是磁异常。这种异常现象反映了介子与自然界中存在的几乎所有其他粒子之间的耦合。这怎么可能呢?

答案是,空间本身并不是空的;我们所认为的真空包含了基本粒子产生的可能性,只要有足够的能量。事实上,这些潜在的粒子是没有耐心的,实际上是被激发的,在空间中燃烧的时间是不可想象的短。虽然这种火花转瞬即逝,但它会被介子“感知”,并微妙地影响介子的属性。因此,介子磁异常提供了对真空亚原子含量的灵敏探测。

令我们这一代和更年轻一代的物理学家深感沮丧的是,标准模型对各种挑战都无动于衷,令人抓狂。我们知道宇宙之外一定存在着一些东西,因为它无法描述我们所知道的关于宇宙及其演化的一切。例如,它不能解释宇宙中物质比反物质更普遍的现象,也不能解释暗物质或其他很多东西,所以我们知道它是不完整的。我们已经非常努力地去理解这些东西可能是什么,但我们还没有找到任何具体的东西。

因此,通过这种实验,我们正在挑战标准模型随着精度的增加。如果标准模型是正确的,我们应该观察到与模型完全一致的效果,因为它包括所认为本质上存在的所有可能的粒子,但如果我们看到这种磁异常的不同价值,则表示这一点there’s actually something else. And that’s what we’re looking for: this something else.

这个实验告诉我们,我们即将有新发现。

问:你在实验中扮演了什么角色?

答:当我们刚刚开始计划到2005年左右的Brookhaven实验后,我成为这一合作的成员,在Brookhaven实验完成后几年,我们正在寻找更精确的可能性Brookhaven的测量。最终,这一想法被遗弃了,因为它结果我们可以在Fermilab做得更好,这有更好的梁,更强烈的丘陵和更好的实验条件。

因此,我们提出了大约2010年,并由美国和国际资助机构批准和资助。一个重要的部分是由国家科学基金会的主要研究授权资助,该资助授权被授予四所大学的联盟,UVA是其中之一。我们正在开发一部分仪器,用于检测积极的正弦,其衰减。我们完成了这项工作,成功了,因此我的团队将重点切换到Fermilab在储存环中磁场的精确测量,这是量化MuOn磁异常的关键部分。我的UVA教师同事Stefan Baessler也在致力于这个问题,多年来,几个UVA学生和博士后一直活跃在该项目上。

问:费米实验室已经宣布,这些只是实验的第一批结果。我们还需要做什么才能知道这个发现意味着什么?

答:取决于我们对尚未分析的运行段的分析结果如何结果。第一次运行的分析大约需要三年。该赛是在2018年完成的,但我认为我们现在我们已经在分析中推出了一些问题,它可能会更快。因此,在大约两年内,有下一个结果并不是不合理的,这将是更精确的,因为它结合了持续了两个和三个。然后会有另一个跑步,我们可能会在另外两年左右的两年左右完成数据。测量的精确结束仍然有点不确定,但我会说出现在大约五年,也许迟早,我们应该有一个非常清晰的画面。

问:这些实验会对我们的日常生活产生什么样的影响?

答:一种方法是将特定技术推向极端,解决了测量的不同方面,以获得我们需要的精确度。影响可能会像物理,工业和医学等田地出现。将有技术的分支,或者至少改进技术,但是哪个具体的技术将会出现,这很难预测。通常,我们推送公司以制作我们需要的产品,以其他方式否则,然后在这些产品的应用方面为他们开放了一个新的领域,这是经常发生的事情。The World Wide Web was invented, for example, because researchers like us needed to be able to exchange information in an efficient way across great distances, around the world, really, and that’s how we have, well, web browsers, Zoom, Amazon and all these types of things today.

我们受益的另一种方式是教育年轻的科学家——他们中的一些人将继续像我一样从事科学和学术事业——但其他人将继续在社会的不同领域努力。他们会带来在很多领域中通常找不到的高水平测量和分析技术方面的专业知识。

最后,另一个结果是智力提高。这项工作的一个成果将帮助我们更好地理解我们生活的宇宙。

问:我们可以在不久的将来看到更像这样的发现吗?

答:是的,除此之外,还有一整套实验,这些实验除了以多种方式查看标准模型的高精度测试。我总是提醒你的古老格言,如果你晚上街道上的钥匙失去了钥匙,你首先要在路灯下寻找它们,这就是我们正在做的事情。所以到处都是一条路灯,我们正在寻找。这是其中一个地方 - 还有几个其他地方,如果你还包括像轴,暗物质候选等轴,暗物质候选,像双β腐烂一样的外来过程的搜索,我会说几十个人。各种各样的东西。其中一个日子,将找到新的东西。

我们知道标准模型是不完整的。就目前而言,它并没有错,但它之外的一些东西并没有被纳入,我们会找到它们的。

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