Un anneau de 50 pieds surmonté d'une isolation blanche est fixé aux fils, tuyaux et autres composants électriques dans un entrepôt sur le campus du nord de l'Illinois à Fermilab. Les scientifiques qui prennent des données avec cet appareil ont le potentiel de faire basculer le champ de la physique des particules jusqu'à son cœur, mais il leur manque un nombre crucial pour effectuer leur calcul final: la vitesse de défilement d'une horloge qui est conservée dans une arrière-salle cachée dans un verrou compartiment. Aujourd'hui, seules deux personnes connaissent cette valeur et la conservent dans des enveloppes cachées. Ils ne disent à personne ce que c'est.
Enfin, pas encore, du moins. Actuellement, une théorie appelée le modèle standard est utilisée pour expliquer les particules qui composent notre univers et comment ces particules interagissent. Les physiciens ont trouvé toutes les particules et forces que cette théorie décrit, mais il y a encore d'innombrables mystères dans l'univers, comme la vraie nature de la matière noire ou pourquoi il y a tellement plus de matière que d'antimatière, que le modèle standard ne parvient pas à expliquer. Diverses expériences sondent maintenant le modèle standard pour détecter les fissures, et cette année, les scientifiques espèrent dévoiler une mesure de l'une d'entre elles, l'expérience Muon g-2, une mesure qui pourrait sortir de la théorie.
"Si le nombre est différent de ce que le modèle standard prédit, alors la seule explication serait qu'une nouvelle particule ou une nouvelle force était en dehors du modèle standard", chercheur postdoctoral Saskia Charity m'a dit que nous nous tenions sur une plate-forme surplombant l'anneau de la Expérience Muon G-2.
Presque un siècle Il y a quelque temps, le physicien Paul Dirac a fait une prédiction de la valeur du moment magnétique de l'électron, appelée «g», un nombre qui décrit comment son spin se précède comme un sommet bancal dans un champ magnétique. La valeur qu'il a prédit était de 2. Très peu de temps après, les mesures ont révélé que g variait légèrement de 2, et les physiciens ont commencé à utiliser la différence entre la valeur réelle de g et 2 pour sonder la structure interne des particules subatomiques et les lois de la physique en général. En 1959, Le CERN à Genève, en Suisse, a construit la première expérience pour mesurer la valeur g-2 d'une particule subatomique appelée muon, essentiellement un électron plus lourd et à vie plus courte. Brookhaven National Lab sur Long Island, New York a commencé son propre expérience, lequel conclu en 2001.
Brookhaven a publié les résultats de son expérience g-2 en 2004: sa mesure s'écarte de ce que le Standard MOdel prédit. Mais le l'expérience n'a pas pris suffisamment de données pour la analyse statistique pour prouver définitivement que la valeur qu'ils avaient mesurée était vraiment différente et pas seulement une fluctuation statistique, du moins pas aux cinqla norme-niveau d'écart (appelé cinq sigma) que les physiciens des particules ont besoin d'appeler quelque chose une découverte. Et donc, après 10 ans, Fermilab a décidé de reprendre la recherche. Cela a l'aimant de l'expérience de Brookhaven expédié le long de la côte atlantique, en amont du fleuve Mississippi, et puis au Fermilab sur un camion plateau. Les physiciens relancez l'expérience avec un faisceau de muons plus puissant.
Les scientifiques du Fermilab ont dirige l'expérience depuis 2017 et sont maintenant travailler sur leur analyse de la première vague des résultats. Mais les êtres humains sont sujets à des biais, so les scientifiques ont remplacé une variable expérimentale cruciale, une mesure d'horloge, par un nombre aléatoire généré par bruit atmosphérique. Une fois que le code d'analyse des données du chercheur a été corrigé et trouvé travail, les chercheurs révéleront la vitesse de défilement de l'horloge et saisiront cette valeur dans leur code.
La véritable mesure d'horloge provient d'une paire d'horloges atomiques dont les lectures se trouvent derrière une armoire noire verrouillée dans une pièce remplie d'électronique sur des racks. Le directeur adjoint de la recherche du Fermilab, Joe Lykken, m'a dit que oSeules deux personnes ont accès à l'heure: Lykken et son adjoint, Greg Bock. La première manche est terminée, et les mesures d'horloge se trouvent dans une paire d'enveloppes scellées, chacune étiquetée avec le nom de Lykken ou de Bock.
"C'est dans mon bureau, qui est assez sécurisé", a déclaré Lykken. Il ne voulait pas me dire où dans son bureau.
Mais qu'est-ce qui est si important avec une horloge? L'expérience de Fermilab fonctionne en dirigeant d'abord des protons de haute énergie vers une cible, produisant une pluie de protons plus, muonLe partenaire antiparticule de l’anti appelé antimuon, et une particule appelée pion– dont certains se désintègrent en plusieurs antimuons. Ces antimuons voyagent en faisceau 4,000 foisautour de l'aimant puis se désintégrer en anti-électrons, appelés positrons, qui emportez avec vous un enregistrement des muons. Les scientifiques peuvent calculer la valeur de g-2 sur la base d'un rapport entre la fréquence de précession de l'antimuon et la force du champ magnétique. Mais le calcul d'une fréquence nécessite de connaître l'heure. Les scientifiques changent simplement la fréquence du nombre aléatoire avec la fréquence réelle sur l'horloge pour obtenir la réponse finale, a expliqué Charity. Les antimuons sont plus faciles à produire pour le Fermilab, a expliqué Charity, mais le résultat g-2 serait le mêmes pour les muons ordinaires.
Une cérémonie accompagner généralement le déblocage de la valeur d'horloge, mais Lykken a expliqué que quelques physiciens sélectionnés effectueront probablement le calcul en privé avant de recréer le résultat pour un public plus large. Les statistiques de la première manche ne seront pas plus solides que la course de Brookhaven, mais elles confirmera au moins si la présence de l'écart se poursuit ou si elle était simplement une fluctuation. Les exécutions suivantes resserrer les barres d'erreur pour voir si l'écart atteint les cinqniveau sigma. Un autre aveuglant (et non aveuglant) des valeurs d'horloge accompagnera ces courses.
Mesurer un écart à cinq les écarts-types ne sont que la première partie de l'histoire. "Dire nous publions ce numéro et c'est le nombre excitant que la communauté attend – personne ne nous croira », a déclaré Charity. «Nous devons être prêts à défendre tout ce que nous avons fait. Je n'ai pas peur de ça, mais c'est intimidant. "
Et bien sûr, le résultat pourrait révéler que la mesure de Brookhaven était un hasard statistique tout au long, comme cela s'est produit avec l'infâme «Bosse de 750 GeV»Au CERN, lorsque les indices d'une nouvelle particule au Grand collisionneur de hadrons ont disparu une fois plus de données sont arrivées. Ce serait toujours des intérêtsting, car cela exclurait un tas d'idées potentielles que les théoriciens ont conçues pour expliquer la déviation en premier lieu.
"D'une manière ou d'une autre, c'est vraiment excitant », m'a dit Charity. Mais elle espère que le nombre mesuré final est celui qui contredit le Standard Model, car il voudrais mettre les physiciens au défi de repenser ce qu'ils ont longtemps cru être vrai à propos de l'univers.
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