Teilchenphysik-Experimente untermauern die Beweise für eine neue Naturkraft

Teilchenphysik-Experimente untermauern die Beweise für eine neue Naturkraft

Ein kürzlich im Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in einem Vorort von Chicago abgeschlossenes Experiment hat starke Daten ergeben, die darauf hindeuten, dass eine neue Naturgewalt entdeckt worden sein könnte. Sollte sich dieses Ergebnis letztendlich bestätigen, wäre eine Überarbeitung des Standardmodells der Teilchenphysik erforderlich, das derzeit nur die Existenz von vier Gesetzen postuliert, die Wechselwirkungen auf subatomarer Ebene regeln: Elektromagnetismus, Schwerkraft, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft Macht. Die scheinbar neue Naturgewalt, die im Fermilab und im Large Hadron Collider des CERN entdeckt wurde, sorgt für enormes Aufsehen in der Welt der Quantenphysik.

Beweise für eine fünfte Kraft

Die kürzlich vom Fermilab gemeldeten anomalen Ergebnisse stimmen mit experimentellen Ergebnissen anderer Forschungseinrichtungen der Hochenergiephysik überein. Erst letzten Monat behaupteten Physiker, die am Large Hadron Collider des CERN, dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, arbeiten, Beweise für eine fünfte Kraft in der Natur gefunden zu haben, und ihre Ergebnisse stimmen in entscheidender Weise mit denen des Fermilab überein.

Dr. Maggie Aderin-Pocock, die Co-Moderatorin des BBC-Wissenschaftsprogramms Sky at Night, nannte die Ankündigung des Fermilab „ziemlich umwerfend“.

„Es hat das Potenzial, die Physik auf den Kopf zu stellen“, fügte Aderin-Pocock hinzu. „Wir haben eine Reihe dieser Geheimnisse, die ungelöst bleiben. Und das könnte uns die entscheidenden Antworten geben, um diese Rätsel zu lösen.“

Die ersten Ergebnisse des Muon g-2-Experiments am Fermilab haben die Entdeckung einer neuen Naturgewalt bestätigt. Dieses beeindruckende Experiment arbeitet bei minus 450 Grad Fahrenheit und untersucht die Präzession (oder das Wackeln) von Myonen, während sie durch das Magnetfeld wandern. (Reidar Hahn / Fermilab)

Seltsames Muon-Wobble führt zu einer neuen Entdeckung der Naturgewalt

Das Experiment, das die möglicherweise paradigmatischen Ergebnisse und die Idee einer neuen Naturgewalt lieferte, umfasste subatomare Teilchen, die als Myonen bekannt sind.

Ein Myon ist ein negativ geladenes Teilchen mit einem ähnlichen Profil wie ein Elektron (beide werden als Leptonen klassifiziert). Aber die Masse des Myons ist 200-mal größer als die seines ätherischen Cousins, des Elektrons. In der Natur werden Myonen durch hochenergetische Wechselwirkungen mit Materieteilchen erzeugt, einschließlich solcher, die auftreten, wenn Moleküle in der oberen Atmosphäre der Erde von kosmischer Strahlung beschossen werden.

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Da sie auch in leistungsstarken Teilchenbeschleunigern zuverlässig erzeugt werden können, sind Myonen ideale experimentelle „Objekte“ für Physiker, die das Wesen der Realität erforschen und nach neuen Naturkräften suchen. Nicht selten sind Hochenergie-Physik-Projekte darauf ausgerichtet, Anomalien zu suchen oder zu erzeugen, die dann Änderungen oder Ergänzungen bekannter wissenschaftlicher Gesetze oder Prinzipien erfordern.

Im Fermilab Muon-2-Experiment wurden Myonen um einen 14 Meter langen Ring beschleunigt, bevor sie durch ein Magnetfeld geleitet wurden. Myonen, die sich durch ein solches Feld bewegen, sollten mit einer bestimmten Geschwindigkeit wackeln, in Übereinstimmung mit Vorhersagen, die aus konventionellen Vier-Kräfte-Wechselwirkungen abgeleitet wurden (berechnet mit den Auswirkungen des Elektromagnetismus, der Schwerkraft, der schwachen Kernkraft und der starken Kernkraft). Aber das Myonen-Experiment deutet auf eine fünfte Naturgewalt hin.

Zur Überraschung und Freude der Fermilab-Physiker zeigten Messungen der Myonen in diesem Experiment, dass sie schneller wackelten als erwartet. Dies bedeutet, dass eine andere Naturgewalt am Werk gewesen sein muss, die die Wobble-Raten der Myonen beeinflusst hat. Daher wäre in dieser experimentellen Umgebung eine neue und bisher unentdeckte Naturgewalt der logischste Weg, die Inkonsistenz des Myon-Wobble zu erklären.

Nach aktuellen Berechnungen besteht eine Chance von eins zu 40.000, dass dieses Ergebnis ein statistischer Zufall sein könnte. Das mag beeindruckend klingen, aber Wissenschaftler sind in solchen Fragen konservativ und es ist üblich, einen neuen Fund erst dann als echte Entdeckung zu kategorisieren, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Zufalls auf nur eins zu 3,5 Millionen reduziert ist.

Um eine endgültige Aussage treffen zu können, sind weitere Daten erforderlich. Aber eine sachkundige Quelle strotzt nur so vor Optimismus. „Mein Spidey-Gefühl kribbelt und sagt mir, dass dies wahr werden wird“, sagte Ben Allanach, ein Professor für theoretische Physik an der Universität Cambridge, der nicht direkt an dem Experiment beteiligt war. „Ich habe meine ganze Karriere nach Kräften und Partikeln gesucht, die über das hinausgehen, was wir bereits kennen, und das ist es. Dies ist der Moment, auf den ich gewartet habe und ich bekomme nicht viel Schlaf, weil ich zu aufgeregt bin.“

Erst kürzlich lieferte der Large Hadron Collider des CERN seine eigenen Myon-Wobbling-Ergebnisse, die mit denen des Fermilab übereinstimmen. ( CC BY 2.0 )

Die Myon-Anomalien des CERN fügen dem Feuer mehr Brennstoff hinzu

Vor weniger als drei Wochen gaben Physiker des Large Hadron Collider des CERN ihre eigene Ankündigung heraus, in der sie die mögliche Existenz einer fünften subatomaren Kraft behaupteten, die auch von den Ergebnissen eines Experiments mit Myonen beeinflusst wurde.

In diesem Fall waren es unerklärliche Inkonsistenzen in den Quark-Zerfallsraten, die für Aufregung sorgten. Quarks sind die grundlegenden Bausteine, die Teilchen wie Protonen und Neutronen umfassen und unter Umständen in negativ geladene Leptonen (Elektronen und Myonen) zerfallen können.

Nach dem Standardmodell der Quantenphysik sollten alle Quarks, die dieser Art von Zerfall unterliegen, gleich viele Elektronen und Myonen produzieren. Aber ein neues Quark, das 2014 von CERN-Wissenschaftlern entdeckt wurde, das als Schönheitsquark bekannt ist, schien bei der Überwachung weniger Myonen zu produzieren als erwartet.

2019 entwickelten CERN-Wissenschaftler, die am Large Hadron Collider arbeiteten, experimentelle Protokolle, die definitiv beweisen konnten, ob diese Anomalie echt war oder nicht. Nach mehr als einem Jahr des Überlegens der Ergebnisse präsentierten die Wissenschaftler im vergangenen Monat ihre Ergebnisse endlich der Öffentlichkeit.

Als Bestätigung ihrer ersten Entdeckung fanden sie heraus, dass Schönheitsquarks im Zerfall mehr Elektronen als Myonen mit einer Geschwindigkeit von 100 zu 85 produzierten. Diese Abweichung von den Vorhersagen des Standardmodells kann mit den bekannten physikalischen Gesetzen nicht erklärt werden, was die CERN-Experten zu dem Schluss führte, dass eine andere unbekannte Naturkraft das Verhalten von Beauty-Quarks verändert.

"Diese Kraft wäre extrem schwach, weshalb wir bisher keine Anzeichen dafür gesehen haben, und würde anders mit Elektronen und Myonen interagieren", sagten an dem Experiment beteiligte Wissenschaftler den Interviewern des Podcasts The Conversation Weekly.

Die CERN-Forscher glauben, dass ein theoretisches Fundamentalteilchen namens „Z prime“ für die von ihnen gemessenen Ergebnisse verantwortlich sein könnte. Dieses geisterhafte Wesen wäre dafür verantwortlich, die neue Kraft zwischen konventionelleren Materieteilchen auf bisher unentdeckte und unerwartete Weise zu übertragen.

Hochenergetische kollidierende Teilchen. ( GiroScience / Adobe Stock)

Das Rennen ist eröffnet und die Wissenschaft wird möglicherweise nie mehr dieselbe sein

Mit revolutionären Veränderungen in unserem Verständnis der Physik am Horizont werden Experimentatoren in Hochenergielabors auf der ganzen Welt versuchen, in das Geschehen einzugreifen.

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"Das Rennen ist jetzt wirklich im Gange, um zu versuchen, eines dieser Experimente zu bekommen, um wirklich den Beweis zu erbringen, dass dies wirklich etwas Neues ist", sagte Dr. Mitesh Patel, ein Physiker des Imperial College of London, der am Large Hadron Collider-Experiment beteiligt war. "Das wird mehr Daten und mehr Messungen erfordern und hoffentlich Beweise dafür liefern, dass diese Effekte real sind."

Obwohl noch erhebliche Arbeit zu leisten ist, wird es wahrscheinlich nicht lange dauern, bis die entsprechende Forschung an mehreren Standorten beginnt. Wenn sich die Gesetze der Physik tatsächlich ändern werden, kann diese Änderung in sehr naher Zukunft erfolgen.


Neue Physik am Large Hadron Collider? Wissenschaftler sind aufgeregt, aber es ist zu früh, um sicher zu sein

Bildnachweis: CERN

Letzte Woche gaben Physiker des Large Hadron Collider in der Schweiz bekannt, dass sie Macht haben eine ganz neue Naturgewalt entdeckt. Genauer gesagt enthüllten sie "neue Ergebnisse, die, wenn sie bestätigt werden, Hinweise auf eine Verletzung des Standardmodells der Teilchenphysik geben würden".

Was bedeutet das? Und warum machen sie so viel daraus, während sie gleichzeitig kurz davor stehen, eine neue Entdeckung zu behaupten?

Die Antworten liegen in der Art und Weise, wie Teilchenphysiker über Beweise und Ergebnisse denken und was es bedeuten würde, "eine Verletzung des Standardmodells" zu finden.

Das zwischen den 1950er und 1970er Jahren entwickelte Standardmodell war enorm erfolgreich bei der Erklärung des Verhaltens von subatomaren Teilchen und von drei der vier uns bekannten fundamentalen Kräfte. Die Physiker am CERN glauben, eine Situation gefunden zu haben, die das Standardmodell nicht erklären kann: Wenn das Modell vorhersagt, dass ein Teilchen namens Beauty-Quark in etwa mit der gleichen Geschwindigkeit in andere Teilchen namens Myonen und Elektronen zerfallen sollte, sieht es tatsächlich so aus zerfällt häufiger in Elektronen als Myonen.

Das ist aufregend, denn wir wissen bereits, dass das Standardmodell nicht die ganze Geschichte darüber erzählt, was im Universum passiert. Es ist sehr gut darin, uns über Materie und Energie zu erzählen. Aber es liefert keinen Bericht über die sogenannte Dunkle Materie, und Wissenschaftler der Dunklen Energie glauben, dass sie existieren muss, um das großräumige Verhalten von Sternen und Galaxien zu erklären.

Das Standardmodell ist auch enorm schwer mit unserer besten Erklärung der Gravitation, Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, in Einklang zu bringen. Das Standardmodell ist bestenfalls ein Schritt auf dem Weg zu einer vollständigen Theorie von allem.

Um über das Standardmodell hinauszugehen, brauchen wir neue empirische Daten. Was wir wirklich brauchen, sind Beweise, die zeigen, dass eine Vorhersage des Standardmodells falsch ist, aber keine Vorhersage, die so zentral für die Theorie ist, dass wir sie von Grund auf neu aufbauen müssen.

Deshalb ist der Zerfall von Beauty-Quarks so interessant. Das unerwartete Verhalten weist auf einen Bereich hin, in dem die Theorie modifiziert werden könnte, ohne bei Null anfangen zu müssen.

Der Grund, warum Wissenschaftler mit dem Ergebnis vorsichtig sind, ist, dass es sich um einen so genannten 3-Sigma-Befund handelt.

Stellen wir uns zur Erklärung vor, Sie suchen im unteren Teil Ihres Gartens nach Feen. Du beginnst mit der Annahme, dass es keine Feen gibt – das nennt man deine Nullhypothese.

Sie sammeln dann einige Beobachtungen, die versuchen, diese Hypothese abzulehnen. Nachdem Sie Ihre Daten analysiert haben, stellen Sie fest, dass eine Wahrscheinlichkeit von 90% besteht, dass wenn Es gab keine Feen im Garten, Sie würden Beobachtungen machen, wie Sie sie tatsächlich gemacht haben.

Dies gibt Ihnen das sogenannte a p-Wert. Eine 90-prozentige Wahrscheinlichkeit, die von Ihnen tatsächlich beobachteten Daten zu beobachten, wenn Ihre Nullhypothese wahr wäre, entspricht einem p-Wert von 0,9.

Im Grunde haben Sie festgestellt, dass Sie keinen triftigen Grund dafür haben ablehnen die Annahme, dass Ihr Garten feenfrei ist. Das ist nicht das Gleiche wie das Finden eines Grundes zu der Annahme, dass Ihre Nullhypothese wahr ist.

Der p-Wert ist die Wahrscheinlichkeit des Beweises bei Ihrer Nullhypothese, die sich von der Wahrscheinlichkeit unterscheidet, dass die Nullhypothese bei Ihren Beweisen wahr ist. (Falls das seltsam erscheint, bedenke, dass die Wahrscheinlichkeit, dass jemand lustig ist, da er Vater ist, ist nicht genauso wie die Wahrscheinlichkeit, dass jemand dein Vater ist, da er lustig ist).

Sigma-Werte wie das "3-Sigma"-Ergebnis entsprechen p-Werten. Am LHC ist die Nullhypothese die Behauptung, dass das Standardmodell korrekt ist, und die Beobachtungen beziehen sich auf Teilchenwechselwirkungen.

Ein 3-Sigma-Ergebnis bedeutet, dass mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa 1 zu 1.000 Beobachtungen auftreten, die mindestens so extrem sind wie die gesammelten, wenn das Standardmodell gegeben ist. Das ist wesentlich besser als Ihre Suche nach Feen und scheint das Standardmodell in Frage zu stellen.

Der Zerfall eines Schönheitsmesons mit einem Elektron und einem Positron, beobachtet beim LHCb-Experiment. Bildnachweis: CERN

Physiker knacken den Champagner normalerweise erst, wenn sie ein 5-sigma Ergebnis.

Ein 5-Sigma-Ergebnis sagt Ihnen, dass eine Wahrscheinlichkeit von weniger als einer zu einer Million Ihrer Beobachtung besteht, wenn das Standardmodell korrekt wäre. Das ist, als ob Sie in Ihren Garten wandern und mit einem kleinen Wesen mit Flügeln plaudern: Ihre "keine Feen"-Hypothese sieht ziemlich wackelig aus.

Warum suchen Physiker nach einem 5-Sigma-Ereignis? Es gibt verschiedene Gründe. Der erste ist historisch: Sie wurden schon einmal gestochen. Im Jahr 2011 behaupteten Physiker, Neutrinos gemessen zu haben, die sich schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese Messung überschritt 3-Sigma, aber es stellte sich heraus, dass es an einem fehlerhaften Kabel lag.

Der Physiker Tommaso Dorigo hat ein Tagebuch der gemessenen Ereignisse geführt, die eine 3-Sigma-Signifikanz erreicht oder übertroffen haben. Er stellt 6 frühere Ansprüche fest, die später zurückgezogen wurden.

Ein weiterer Grund zur Vorsicht ist das Problem der Mehrfachvergleiche. Wenn Sie genügend Tests durchführen, werden Sie bestimmt etwas Seltsames sehen.

Angenommen, Sie werfen 100 Mal eine Münze und erhalten 50 Köpfe und 50 Zahlen. Angenommen, Sie wiederholen das Experiment 100 Mal (insgesamt 10.000 Mal die Münze werfen).

In einigen Versionen des Experiments sehen Sie möglicherweise 20 Köpfe und 80 Zahlen. In einigen sieht man 10 Köpfe und 90 Schwänze. Beide Verteilungen sind unwahrscheinlich, vorausgesetzt, die Münze ist fair.

Haben Sie daher Beweise dafür, dass die Münze unfair ist? Es scheint zweifelhaft. Sogar eine faire Münze wird manchmal einseitige Ergebnisse liefern.

Der LHC ist wie ein Münzwurfautomat. Es führt ständig Experimente durch. Um dies zu korrigieren, fordern Physiker den sehr hohen 5-Sigma-Standard. Ein 3-Sigma-Ergebnis ist bemerkenswert, aber noch keine "Entdeckung".

Schließlich gibt es das Sprichwort, dass außergewöhnliche Behauptungen außergewöhnliche Beweise erfordern. Das Standardmodell ist sehr gut bestätigt. Es bedarf einer äußerst auffälligen Beobachtung (z. B. der Beobachtung eines Ereignisses, das sehr unwahrscheinlich wäre, wenn das Standardmodell wahr wäre), um das Vertrauen in das Modell zu verringern.

Der LHC ist ein außergewöhnlich komplexes Experiment, bei dem vieles schief gehen kann. Das macht es schwierig, systematische Fehler zu kontrollieren.

Selbst das Erreichen des 5-Sigma-Levels allein reicht möglicherweise nicht aus, um eine neue Entdeckung zu bestätigen. Tatsächlich erreichten drei der sechs zurückgezogenen Ergebnisse, die von Dorigo dokumentiert wurden, sogar noch höhere Werte 6-sigma Niveau.

Um eine Entdeckung zu bestätigen, müssen die Ergebnisse idealerweise mit einem anderen Versuchsaufbau repliziert werden (einer, der nicht riskiert, auch die gleichen Fehler zu replizieren), vorzugsweise mehr als einmal. Deshalb hoffen die Physiker am CERN, dass ihre Ergebnisse durch das Belle-Experiment in Japan repliziert werden.

Die Ankündigung des CERN mag daher etwas verfrüht erscheinen. Doch Dorigos Tagebuch gibt Anlass zu Optimismus. Er weist darauf hin, dass alle zurückgezogenen Ergebnisse von Teilchenbeschleunigerexperimenten Signifikanzniveaus erreichten, die gerade Zahlen (4 oder 6-Sigma) sind, während echte Entdeckungen ungerade Zahlenniveaus (3 oder 5-Sigma) erreichten.

Dorigo schlägt vor, dass wir Beobachtungen mit ungeradzahligen Sigma-Werten sehr ernst nehmen sollten. Er macht einen Witz. Aber hinter dem Witz steckt eine soziologische Beobachtung: Physiker neigen nicht dazu, 3-Sigma-Ergebnisse zu veröffentlichen, es sei denn, sie sind zuversichtlich, dass sie zu einer Entdeckung führen werden. Die Physiker am CERN glauben eindeutig, dass sie etwas auf der Spur sind, und das sollten wir auch.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.Diese Geschichte ist Teil des Science X Dialogs, in dem Forscher über Ergebnisse aus ihren veröffentlichten Forschungsartikeln berichten können. Auf dieser Seite finden Sie Informationen zu ScienceX Dialog und zur Teilnahme.


Möglicherweise wurde eine neue Naturgewalt entdeckt, die die Gesetze der Physik umschreiben würde

Die Art und Weise, wie wir das Universum verstehen, könnte sich für immer ändern, nachdem subatomare Teilchen in zwei bahnbrechenden Experimenten die Regeln der Physik zu ändern schienen.

Physiker sagen, die Ergebnisse seien „verlockend“ gewesen und könnten Anzeichen einer fünften Naturgewalt gefunden haben.

Bisher wurden vier fundamentale Kräfte verwendet, um alles zu erklären, was im Universum passiert.

Schwerkraft lässt Dinge zu Boden fallen, Elektromagnetismus befasst sich mit der Kraft zwischen zwei elektrisch geladenen Teilchen, starke Kraft bindet subatomare Teilchen zusammen und schwache Kraft kann sie auseinanderbrechen.

Physiker waren jedoch verblüfft und begeistert, als sich winzige Teilchen namens Myonen in zwei verschiedenen Langzeitexperimenten in den USA und in Europa nicht wie erwartet verhielten.

Wenn sich die Ergebnisse als richtig erweisen, könnten die Ergebnisse große Probleme mit dem Regelwerk aufdecken, das von Wissenschaftlern verwendet wird, um zu erklären, wie das Universum auf subatomarer Ebene funktioniert.

Auf einer Pressekonferenz sagte Chris Polly, Co-Chefwissenschaftler des Fermilab-Experiments: „Wir denken, wir könnten die ganze Zeit in einem Meer von Hintergrundpartikeln schwimmen, die einfach nicht direkt entdeckt wurden.

„Es könnte Monster geben, die wir uns noch nicht vorgestellt haben und die aus dem Vakuum auftauchen und mit unseren Myonen interagieren, und das gibt uns ein Fenster, sie zu sehen.“

Das aktuelle Regelwerk mit dem Namen Standardmodell wurde vor etwa 50 Jahren entwickelt und durch jahrzehntelange Experimente gestützt.

Aber nachdem Wissenschaftler elektronenähnliche Myonenteilchen durch einen 15-Tonnen-Elektromagneten geschickt hatten, um zu beobachten, wie sie „wackeln“, wurden sie als 0,1% vom Modell entfernt.

Das mag nicht viel klingen, aber für Teilchenphysiker ist es riesig – mehr als genug, um das aktuelle Verständnis auf den Kopf zu stellen.

Es deutet darauf hin, dass sie mit unentdeckten Teilchen oder Kräften interagieren könnten. Da sich diese Partikel auf natürliche Weise bilden, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft, könnten diese Ergebnisse die Funktionsweise des Universums unserer Meinung nach völlig verändern.

Der britische Science and Technology Facilities Council (STFC) sagte, das Ergebnis „liefert starke Beweise für die Existenz eines unentdeckten subatomaren Teilchens oder einer neuen Kraft“.

Der Teilchenphysiker der Wayne State University, Alexey Petrov, sagte: „Neue Teilchen, neue Physik könnten unsere Forschung einfach übersteigen. Es ist verlockend.’

Der englische Teilchenphysiker Professor Brian Cox nannte das Ergebnis „wichtig und aufregend“.

Er twitterte: „Es kommt der Entdeckung einer neuen Physik jenseits des Standardmodells nahe – im Grunde neue fundamentale Teilchen“, twitterte er.

„Es wäre die größte Entdeckung in der Teilchenphysik seit vielen Jahren – sicherlich dort oben mit dem Higgs-Boson.“

Gestern gab das Fermilab des US-Energieministeriums die Ergebnisse von 8,2 Milliarden Rennen auf einer magnetisierten Strecke außerhalb von Chicago bekannt.

Der Zweck des Tracks bestand darin, die Partikel lange genug am Leben zu halten, damit die Forscher sie genauer betrachten können.

Es besteht immer noch eine Chance von eins zu 40.000, dass das mysteriöse Verhalten der Myonen ein statistischer Fehler sein könnte.

Aber wenn sie bestätigt werden, wären die Ergebnisse der größte Fund in der Welt von subatomaren Teilchen seit fast 10 Jahren, seit der Entdeckung des Higgs-Bosons, das oft als "Gottteilchen" bezeichnet wird.

Es folgt den letzten Monat veröffentlichten Ergebnissen des Large Hadron Collider des Europäischen Zentrums für Kernforschung, bei dem ein überraschender Anteil von Teilchen nach Hochgeschwindigkeitskollisionen gefunden wurde.

Der Sinn der Experimente besteht darin, Teilchen auseinander zu ziehen und herauszufinden, ob mit ihnen und dem Raum, den sie einnehmen, „etwas Lustiges vor sich geht“, erklärt der theoretische Physiker David Kaplan von der Johns Hopkins University.

Er fügte hinzu: „Die Geheimnisse leben nicht nur in der Materie. Sie leben in etwas, das Raum und Zeit auszufüllen scheint. Das sind Quantenfelder.

„Wir stecken Energie ins Vakuum und sehen, was dabei herauskommt.“

Beide Ergebnisse beziehen sich auf das seltsame, flüchtige Teilchen, das Myon genannt wird – das schwerere Cousin des Elektrons, das das Zentrum eines Atoms umkreist.

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Aber das Myon ist kein Teil des Atoms, es ist instabil und existiert normalerweise nur für zwei Mikrosekunden.

Nachdem es 1936 in kosmischer Strahlung entdeckt wurde, verwirrte es die Wissenschaftler so sehr, dass ein berühmter Physiker fragte: „Wer hat das bestellt?“

"Von Anfang an kratzte es sich die Physiker am Kopf", sagte Graziano Venanzoni, ein Experimentalphysiker in einem italienischen Nationallabor, der einer der Top-Wissenschaftler des US-amerikanischen Fermilab-Experiments namens Muon g-2 ist.

Die Forscher brauchen noch ein oder zwei Jahre, um die Ergebnisse aller Runden um die 50 Fuß zu analysieren. Wenn sich die Ergebnisse nicht ändern, wird dies als eine wichtige Entdeckung gewertet, sagte Venanzoni.

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Myonen: 'Starke' Beweise für eine neue Naturgewalt gefunden

Alle Kräfte, die wir täglich erleben, lassen sich auf nur vier Kategorien reduzieren: Schwerkraft, Elektromagnetismus, die starke Kraft und die schwache Kraft.

Nun sagen Physiker, sie hätten mögliche Anzeichen für eine fünfte fundamentale Naturkraft gefunden.

Die Ergebnisse stammen aus Untersuchungen, die in einem Labor in der Nähe von Chicago durchgeführt wurden.

Die vier fundamentalen Kräfte bestimmen, wie alle Objekte und Teilchen im Universum miteinander interagieren.

Zum Beispiel lässt die Schwerkraft Gegenstände zu Boden fallen, und schwere Gegenstände verhalten sich, als ob sie am Boden kleben.

Der britische Science and Technology Facilities Council (STFC) sagte, das Ergebnis "liefert starke Beweise für die Existenz eines unentdeckten subatomaren Teilchens oder einer neuen Kraft".

Aber die Ergebnisse des Muon g-2-Experiments summieren sich noch nicht zu einer schlüssigen Entdeckung.

Derzeit besteht eine Chance von eins zu 40.000, dass das Ergebnis ein statistischer Zufallstreffer sein könnte – was einem statistischen Vertrauensniveau von 4,1 Sigma entspricht.

Ein Level von 5 Sigma oder eine Wahrscheinlichkeit von eins zu 3,5 Millionen, dass die Beobachtung ein Zufall ist, ist erforderlich, um eine Entdeckung zu beanspruchen.

Prof. Mark Lancaster, der britische Leiter des Experiments, sagte gegenüber BBC News: „Wir haben festgestellt, dass die Wechselwirkung von Myonen nicht mit dem Standardmodell übereinstimmt [der derzeit weithin akzeptierten Theorie zur Erklärung des Verhaltens der Bausteine ​​des Universums] ."

Der Forscher der University of Manchester fügte hinzu: "Das ist natürlich sehr aufregend, weil es möglicherweise auf eine Zukunft mit neuen physikalischen Gesetzen, neuen Teilchen und einer neuen Kraft hindeutet, die wir bisher nicht gesehen haben."

Der Befund ist der jüngste in einer Reihe vielversprechender Ergebnisse aus Teilchenphysik-Experimenten in den USA, Japan und zuletzt aus dem Large Hadron Collider an der schweizerisch-französischen Grenze.

Prof. Ben Allanach von der Universität Cambridge, der nicht an den jüngsten Bemühungen beteiligt war, sagte: „Mein Spidey-Gefühl kribbelt und sagt mir, dass dies real sein wird.

„Ich habe meine ganze Karriere nach Kräften und Teilchen gesucht, die über das hinausgehen, was wir bereits kennen, und das ist es. Dies ist der Moment, auf den ich gewartet habe und ich bekomme nicht viel Schlaf, weil ich zu aufgeregt bin."

Das Experiment, das am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois, angesiedelt ist, sucht nach Anzeichen für neue Phänomene in der Physik, indem es das Verhalten von subatomaren Teilchen, den Myonen, untersucht.

Es gibt Bausteine ​​unserer Welt, die noch kleiner sind als das Atom. Einige dieser subatomaren Teilchen bestehen aus noch kleineren Bestandteilen, während andere nicht in etwas anderes zerlegt werden können (Grundteilchen).

Das Myon ist eines dieser fundamentalen Teilchen, es ist dem Elektron ähnlich, aber mehr als 200-mal schwerer.

Beim Muon g-2-Experiment werden die Teilchen um einen 14 Meter langen Ring geschickt und dann ein Magnetfeld angelegt. Nach den aktuellen physikalischen Gesetzen, die im Standardmodell kodiert sind, sollte dies die Myonen mit einer bestimmten Geschwindigkeit wackeln lassen.

Stattdessen fanden die Wissenschaftler heraus, dass Myonen schneller wackelten als erwartet. Dies könnte durch eine Naturgewalt verursacht werden, die für die Wissenschaft völlig neu ist.

Niemand weiß noch, was diese potenzielle neue Kraft bewirkt, außer die Myonenteilchen zu beeinflussen.

Theoretische Physiker glauben, dass es auch mit einem noch unentdeckten subatomaren Teilchen in Verbindung stehen könnte. Es gibt mehr als ein Konzept dafür, was dieses hypothetische Teilchen sein könnte. Eines wird Leptoquark genannt, ein anderes ist das Z'-Boson (Z-Prime-Boson).

Letzten Monat beschrieben Physiker, die am LHCb-Experiment am Large Hadron Collider arbeiten, Ergebnisse, die auf ein neues Teilchen und eine neue Kraft hinweisen könnten.

Dr. Mitesh Patel vom Imperial College London, der an diesem Projekt beteiligt war, sagte: „Das Rennen läuft jetzt wirklich, um zu versuchen, eines dieser Experimente zu bekommen, um wirklich den Beweis zu erbringen, dass dies wirklich etwas Neues ist. Das wird mehr Daten und mehr Messungen erfordern und hoffentlich Beweise dafür liefern, dass diese Effekte real sind."

Prof. Allanach hat der möglichen fünften Kraft in seinen theoretischen Modellen verschiedene Namen gegeben. Darunter sind die "Geschmackskraft", die "Hyperkraft der dritten Familie" und - am nüchternsten von allen - "B minus L2".

Neben den bekannteren Kräften der Schwerkraft und des Elektromagnetismus (der für Elektrizität und Magnetismus verantwortlich ist) bestimmen die starken und schwachen Kräfte das Verhalten der subatomaren Teilchen.

Eine fünfte fundamentale Kraft könnte helfen, einige der großen Rätsel über das Universum zu erklären, die Wissenschaftler in den letzten Jahrzehnten beschäftigt haben.

Zum Beispiel wurde die Beobachtung, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, einem mysteriösen Phänomen zugeschrieben, das als dunkle Energie bekannt ist. Einige Forscher haben jedoch zuvor vorgeschlagen, dass dies ein Beweis für eine fünfte Kraft sein könnte.

Dr. Maggie Aderin-Pocock, Co-Moderatorin des BBC-Programms Sky at Night, sagte gegenüber BBC News: „Es ist ziemlich umwerfend. Es hat das Potenzial, die Physik auf den Kopf zu stellen. Wir haben eine Reihe von Geheimnissen, die ungelöst bleiben. Und das könnte uns die Schlüsselantworten geben, um diese Geheimnisse zu lösen."


Wurde eine neue Naturgewalt entdeckt?

Es gab dramatische Artikel in den Nachrichtenmedien, die darauf hindeuteten, dass im Wesentlichen bereits ein Nobelpreis für die erstaunliche Entdeckung einer "fünften Kraft" verliehen wurde damit es glimmt, aber wir sollten es nicht überhitzen lassen.

Es könnte sicherlich noch unbekannte Kräfte geben, die darauf warten, entdeckt zu werden – Dutzende von ihnen vielleicht. Bisher gibt es vier gut untersuchte Kräfte: Schwerkraft, Elektrizität/Magnetismus, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft. Darüber hinaus sind die Wissenschaftler bereits voll zuversichtlich es gibt eine fünfte kraft, vorhergesagt, aber noch nicht gemessen, die vom Higgs-Feld erzeugt wird. Die aktuelle Geschichte würde sich also wirklich um eine sechsteMacht.

Grob gesagt bringt jede neue Kraft mindestens ein neues Teilchen mit sich. Das liegt daran, dass

  • jede Kraft entsteht aus einer Art von Feld (zum Beispiel kommt die elektrische Kraft vom elektromagnetischen Feld und die vorhergesagte Higgs-Kraft kommt vom Higgs-Feld)
  • und Wellen in dieser Art von Feld sind eine Art von Teilchen (Zum Beispiel ist eine minimale Welligkeit im elektromagnetischen Feld ein Photon – ein Lichtteilchen – und eine minimale Welligkeit im Higgs-Feld ist das Teilchen, das als Higgs-Boson bekannt ist.)

Die aktuelle Aufregung, so wie sie ist, entsteht, weil jemand behauptet, es zu haben Beweis für ein neues Teilchen, deren Eigenschaften implizieren würden, dass eine zuvor unbekannte Kraft in der Natur existiert. Die Kraft selbst wurde nicht gesucht, geschweige denn entdeckt.

Das neue Teilchen, wenn es wirklich existiert, hätte eine etwa 34-mal größere Ruhemasse als die eines Elektrons – etwa 1/50 der Ruhemasse eines Protons. In technischer Hinsicht bedeutet dies, dass seine Energie E = mc² etwa 17 Millionen Elektronenvolt (MeV) beträgt, und deshalb bezeichnen Physiker es als X17. Aber die Frage ist, ob die beiden Experimente, die Beweise dafür finden, richtig sind.

Im ersten Experiment, dessen Ergebnisse 2015 erschienen, untersuchte ein Experimentalteam hauptsächlich mit Sitz in Debrecen, Ungarn, eine große Anzahl von Kernen von Beryllium-8-Atomen, die in einen “erregten Zustand” (d.h. mit mehr Energie) gebracht worden waren wie üblich). Ein angeregter Kern zerfällt unweigerlich, und die Experimentatoren untersuchten die Trümmer. In seltenen Fällen beobachteten sie Elektronen und Positronen [a.k.a. Antielektronen], und diese verhielten sich überraschenderweise so, als ob sie beim Zerfall eines bisher unbekannten Teilchens entstanden wären.

In dem kürzlich veröffentlichten Experiment, dessen Ergebnisse gerade erschienen sind, beobachtete dasselbe Team den Zerfall angeregter Heliumkerne. Sie fanden erneut Beweise für das, was sie für das X17 erhoffen, und behaupten daher, ihre ursprünglichen Experimente mit Beryllium bestätigt zu haben.

Wenn zwei qualitativ unterschiedliche Experimente dasselbe behaupten, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass sie falsch sind, weil Es ist unwahrscheinlich, dass Fehler in den beiden Experimenten gefälschte Beweise desselben Typs erzeugen würden. Auf den ersten Blick scheint es unwahrscheinlich, dass beide Messungen an zwei verschiedenen Kernen könnten ein X17-Teilchen vortäuschen.

Wir sollten jedoch vorsichtig bleiben, da beide Experimente von denselben Wissenschaftlern durchgeführt wurden. Sie hoffen natürlich auf ihren Nobelpreis (den sie, wenn ihre Experimente richtig sind, sicherlich gewinnen) und es ist möglich, dass sie unter unbewussten Vorurteilen leiden. Es ist sehr üblich, dass einzelne Wissenschaftler sehen, was sie sehen wollen, dass Wissenschaftler menschlich sind, und versteckte Vorurteile können selbst die besten Wissenschaftler in die Irre führen. Nur gemeinsam, durch den Prozess des gegenseitigen Prüfens, Reproduzierens und Verwendens der Arbeit des anderen, schaffen Wissenschaftler vertrauenswürdiges Wissen.

Daher ist es ratsam, die Bemühungen anderer Gruppen von Experimentatoren abzuwarten, um nach diesem vorgeschlagenen X17-Teilchen zu suchen. Wenn das X17 bei anderen Experimenten beobachtet wird, werden wir uns sicher sein, dass es echt ist. Aber wir werden es wahrscheinlich bis dahin nicht wissen. Ich weiß derzeit nicht, ob die Wartezeit Monate oder ein paar Jahre dauern wird.

Warum bin ich so skeptisch? Es gibt zwei verschiedene Gründe.

Erstens gibt es ein konzeptionelles, mathematisches Problem. Es ist nicht einfach, vernünftige Gleichungen aufzustellen, die es dem X17 ermöglichen, mit allen bekannten Arten von Elementarteilchen zu koexistieren. Dass es eine geringere Masse als ein Proton hat, ist an sich kein Problem. Aber der X17 muss einige einzigartige und seltsame Eigenschaften haben, um (1) in diesen Experimenten gesehen zu werden, aber (2) nicht in bestimmten anderen früheren Experimenten zu sehen, von denen einige explizit nach etwas Ähnlichem suchten. Um Gleichungen zu erstellen, die mit diesen Eigenschaften konsistent sind, sind einige komplizierte und nicht ganz plausible Tricks erforderlich. Es ist unmöglich? Nein. Aber einige der von Wissenschaftlern vorgeschlagenen Methoden waren fehlerhaft, und die, die verbleiben, sind in meinen Augen ein wenig erfunden.

Natürlich ist Physik eine experimentelle Wissenschaft, und was Theoretiker wie ich meinen, spielt am Ende keine Rolle. If the experiments are confirmed, theorists will accept the facts and try to understand why something that seems so strange might be true. But we’ve learned an enormous amount from mathematical thinking about nature in the last century — for instance, it was math that told us that the Higgs particle couldn’t be heavier than 1000 protons, and it was on the basis of that `advice’ that the Large Hadron Collider was built to look for it (and it found it, in 2012.) Similar math led to the discoveries of the W and Z particles roughly where they were expected. So when the math tells you the X17 story doesn’t look good, it’s not reason enough for giving up, but it is reason for some pessimism.

Second, there are many cautionary tales in experimental physics. For instance, back in 2003 there were claims of evidence of a particle called a pentaquark with a rest mass about 1.6 times a proton’s mass — an exotic particle, made from quarks and gluons, that’s both like and unlike a proton. Its existence was confirmed by multiple experimental groups! Others, however, didn’t see it. It took several years for the community to come to the conclusion that this pentaquark, which looked quite promising initially, did not in fact exist.

The point is that mistakes do get made in particle hunts, sometimes in multiple experiments, and it can take some time to track them down. It’s far too early to talk about Nobel Prizes.

[Note that the Higgs boson’s discovery was accepted more quickly than most. It was discovered simultaneously by two distinct experiments using two methods each, and confirmed by additional methods and in larger data sets soon thereafter. Furthermore, there were already straightforward equations that happily accommodated it, so it was much more plausible than the X17.]

And just for fun, here’s a third reason I’m skeptical. It has to do with the number 17. I mean, come on, guys, seriously — 17 million electron volts? This just isn’t auspicious. Back when I was a student, in the late 1980s and early 90s, there was a set of experiments, by a well-regarded experimentalist, which showed considerable evidence for an additional neutrino with a E=mc² energy of 17 thousand electron volts. Other experiments tried to find it, but couldn’t. Yet no one could find a mistake in the experimenter’s apparatus or technique, and he had good arguments that the competing experiments had their own problems. Well, after several years, the original experimenter discovered that there was a piece of his equipment which unexpectedly could absorb about 17 keV of energy, faking a neutrino signal. It was a very subtle problem, and most people didn’t fault him since no one else had thought of it either. But that was the end of the 17 keV neutrino, and with it went hundreds of research papers by both experimental and theoretical physicists, along with one scientist’s dreams of a place in history.

In short, history is cruel to most scientists who claim important discoveries, and teaches us to be skeptical and patient. If there is a fifth sechste force, we’ll know within a few years. Don’t expect to be sure anytime soon. The knowledge cycle in science runs much, much slower than the twittery news cycle, and that’s no accident if you want to avoid serious errors that could confuse you for a long time to come, don’t rush to judgment.


A Physics Breakthrough: More Evidence of New Particles or Forces

New results from a massive experiment double down on indicating undiscovered influences on particles called muons

There are still-undiscovered particles or unknown forces swirling all around us, suggest new results from a massive experiment conducted at the US Department of Energy’s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Illinois. The findings were analyzed with the help of more than 200 scientists from 35 institutions in seven countries, including physicists from Boston University.

The experiment’s results appear to indicate the presence of something mysterious beyond the current reaches of science. It’s a breakthrough moment for physics, a field that has spent decades developing increasingly sensitive detectors and technologies to investigate the unseen particles and forces that make up our material world and beings.

“Over the last 50 years, our understanding of the subatomic world has become really amazing,” says BU physicist Lee Roberts, cofounder of the experiment and a coauthor on the analysis of the Fermilab results. “We’ve managed since the 1970s to put a lot of things together, theoretically, that explain magnetic interactions and forces that govern our physical world—but there are a number of questions we still don’t understand.”

BU physicist Lee Roberts. Photo courtesy of Roberts

This new finding, he says, “reveals that there must be something else beyond what we currently know.”

The Fermilab experiment, called Muon g-2, detected particles called muons behaving slightly differently than currently accepted physics theories—known altogether as the Standard Model of physics—would predict. That slight deviation indicates that other particles or forces not accounted for by the Standard Model are influencing the muon particles. But what? Those mysterious forces could perhaps be from undiscovered types of particles that are changing the muon’s magnetic strength.

Muons are a good candidate for helping physicists study the subatomic world because they can be easily detected and measured using today’s technological capabilities. They are naturally created when cosmic rays traveling from the sun, other planets, and the universe beyond our solar system reach and interact with Earth’s atmosphere. These particles are about 200 times heavier than electrons.

“Muons are heavier siblings to the electron, and they have an electric charge,” says Roberts, a BU College of Arts & Sciences professor of physics. Like electrons, muons spin. “Because they have an electric charge and are spinning around, they generate a magnetic field—they act like tiny spinning magnets.” That spin is key to scientists’ being able to detect their behavior and what other particles and forces are influencing muons.

Particles approaching the speed of light

At Fermilab, a huge donut-shaped machine—embedded with electronics and circuitry custom-built by Roberts and other BU physicists—uses strong magnetic fields to trap the muons in a magnetic racetrack as the particles travel around at incredibly high speeds, almost at the speed of light. Inside the machine, protons are smashed into a metal target, mimicking the collision that happens when cosmic rays hit Earth’s atmosphere. Das Ergebnis? Millions of muons are produced every second.

As those muons spin around the donut-shaped racetrack, they wobble as if on an internal axis, like a top or gyroscope. The strength of the muons’ magnetic field, which physicists call the “g-factor,” determines how much it wobbles. The g-factor is influenced by the muon’s interactions with the sea of subatomic particles that naturally exist all around it—a constantly changing “foam” of short-lived particles. Inside the donut at Fermilab, high-precision detectors allow physicists to measure the muon g-factor, which is what led them to discover that there must be a new type of particle or force swirling around the muons in the foam, changing their g-factor from what the Standard Model of physics would expect.

In its first year of operation, in 2018, the Fermilab experiment collected more data than all prior muon g-factor experiments combined. The Fermilab experimental results are especially exciting because they confirm similar findings that were made at Brookhaven National Laboratory (BNL) in 2001. “In 2001, when it looked like we were seeing evidence of new physics at Brookhaven, it was in newspapers all around the world. There was so much interest in the findings,” Roberts says.

Breakthroughs of this magnitude, much like the construction of the gigantic machines that make them possible, take time. The Large Hadron Collider at CERN in Geneva, Switzerland, had been searching for signs of new particles or forces since it started operating in 2008. In 2012, CERN made history when it detected the Higgs boson (nicknamed the “God particle”) for the first time.

Now, the United States is having its own aha moment.

“The Fermilab result agrees with the BNL result,” Roberts says. Combined, the BNL and Fermilab experiments indicate that the chance of the results being a statistical fluctuation is about 1 in 40,000. That means it’s statistically very likely that undiscovered particles or forces are jostling the spinning muons, influencing their magnetic strength and the amount of wobble they show. When the BNL result was the only one of its kind, doubt still lingered. Now, it’s been reproduced at Fermilab with even more precise measurements.

“Today is an extraordinary day, long awaited not only by us but by the whole international physics community,” Graziano Venanzoni said in a Fermilab press release. Venanzoni is co-spokesperson of the Muon g-2 experiment and a physicist at the National Institute for Nuclear Physics in Italy. “A large amount of credit goes to our young researchers who, with their talent, ideas and enthusiasm, have allowed us to achieve this incredible result.”

Long Island Sound to the Mississippi River to Fermilab

To do the Fermilab experiment, the donut-shaped machine first had to get there from BNL. In 2013, it traveled by boat from BNL’s Long Island location, around the Florida peninsula, and up the Mississippi River, where it finally joined up with Illinois’ waterways. Then, a series of interstate highway shutdowns allowed an oversized truck to slowly transport the machine to the Fermilab location.

At Fermilab, electronics and circuitry developed at BU’s Electronics Design Facility (EDF) and Scientific Instrument Facility were an integral part of the experiment.

“BU’s Electronics Design Facility can build custom equipment when we need it—and we needed a special controller for the system that keeps the beam of muons stored in the racetrack,” Roberts says. Another set of custom electronics from BU, developed by BU Adjunct Professor of Physics James Mott and the EDF team, sits inside the machine’s donut-shaped storage ring, measuring the signals that the muons give off as they speed around the vacuum-sealed ring.

For the Brookhaven experiment, Roberts says, BU performed about $600,000 of machining to create custom parts and electronics. Those contributions then made their way to Fermilab onboard the racetrack, and the BU team also helped modify the machine’s vacuum chambers to set up the new experiment at Fermilab. In addition to Roberts and Mott, other members of the BU team included CAS Professors of Physics Robert Carey and James Miller, postdoctoral research associates Nam Tran and Andy Edmonds, and graduate student Nick Kinnaird.

“Physics is interested in understanding the fundamental, underlying laws of nature, the forces and interactions between matter,” Roberts says. “It explains atoms, chemistry, how solids or condensed matter works. Understanding physics allows us to develop new materials and new devices, and the exploration of physics requires us to advance our technological capabilities. To make these measurements, we’re designing new technologies, and we require computers with increasingly enormous amounts of computational power.”

Detectors developed by physicists, for example, are now used to perform MRI and PET scanning, types of medical scans that allows clinicians to see inside the human body.

Data analysis on the second and third runs of the experiment is underway. The fourth run is ongoing, and a fifth run is planned. Combining the results from all five runs at Fermilab will give scientists an even more precise measurement of the muon’s wobble, revealing with greater certainty whether new physics is hiding within the particle foam that swirls around muons.

Fermilab scientist Chris Polly, who was a lead graduate student on the Brookhaven experiment in 2001, says the latest breakthrough makes all the patience and time that was necessary worthwhile.

“After the 20 years that have passed since the Brookhaven experiment ended, it is so gratifying to finally be resolving this mystery,” Polly says.


Scientists may have discovered a new force of nature?

Sigh, how I hate media. No, the everydays physics will not change at all. We will extend our description and understanding of minute details. Birds will still fly, cars will still drive, TVs will be still using the same old physics to transmit the same old dang.

There's an extant thread somewhere, in high energy.

I do not like this take. The BBC is not writing for scientists, they are writing for people with only casual interest in Physics who would be completely turned off by an article littered with technicalities.

The titles tend to be a bit clickbait, sure, but at the end of the day if you want to make the average person excited about science then popular expositions play an important role. Silly example: when I called my mum earlier and she asked about the headline, I'm not going to turn around and say "Pffft, you fool! That's not real physics!" I'm more just happy that she wanted to take an interest in a subject I'm passionate about.

So I say, sensationalise all you want (within reason ). It's just a bit of fun!

A fifth fundamental force would be pretty significant, if true.

In their defense, Einsteins' relativity and then quantum mechanics both "turned physics on its head" - even for (especially for) the layperson. It overturned how we see our universe.

New force, new physics? maybe not. A group known as the "Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration" has recomputed the magnetic moment and reduced the discrepancy between theory and experiment to 1.6 σ.

Indeed, if a group of theorists going by the name of the Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration is correct, there may be no disparity between experiment and theory at all. In a new study in Natur, it shows how lattice-QCD simulations can boost the contribution of known virtual hadrons so that the predicted value of the muon’s anomalous moment gets much closer to the experimental ones. Collaboration member Zoltan Fodor of Pennsylvania State University in the US says that the disparity between the group’s calculation and the newly combined experimental result stands at just 1.6σ.

There is a risk that it undermines the public perception of established science. If fundamental physics can be "turned on its head", then why not the science of climate change, epidemiology, vaccinations and even the geological evidence against creationism?

The politically astute thing to do would be to play down the impact of new discoveries to established theories (which is often the technical reality in any case), and emphasise that this is something new that extends our knowledge - in this case, something to add to the standard model, rather than something that renders it obsolete.

Maybe, but consider: some citizens will benefit more from science news than others.

Even if 90% of the public are merely passive readers, but 10% are actively interested, it might still be advantageous to target the `10%.

Interested citizens get involved, get educated, invest, donate, pursue careers and join science forums - in the sciences.

(Ultimately, the 10% won't be led astray by clickbait articles, since their self-education will innoculate them from low quality information.)

I don't know. But if it's a force of nature, it's probably in some way related to Chuck Norris.

There is a risk that it undermines the public perception of established science. If fundamental physics can be "turned on its head", then why not the science of climate change, epidemiology, vaccinations and even the geological evidence against creationism?

The politically astute thing to do would be to play down the impact of new discoveries to established theories (which is often the technical reality in any case), and emphasise that this is something new that extends our knowledge - in this case, something to add to the standard model, rather than something that renders it obsolete.

This does make sense. I often have read articles that have illegitimately caused loss of faith in a theory.

But then there is a loss of credibility when dogma is defended for the sake of keeping the masses faithfull.

Covid has been an extreme lesson on this, with many authorities having been constantly defending their old and now known to be wrong ideas: asymptomatic, masks, mutations, airborne, etc.

What makes me trust science is when there is an openness about uncertainty, a quickness to acknowledge mistakes.

Neil says science is right whether or not you believe in it. I don't agree with that or that we should tell the masses that for example.

I have been reading articles in other journals to the same effect since a few days.
It does not seem to me fair to blame the journalists for what people are finding wrong – scientists seem to be feeding them, see the quotes.

I had been meaning to ask here just what is there about this experiment that a disagreement between its results and a theoretical calculation is necessarily some totally fundamental change of physics. (Also I'd always heard the Standard Model described as a useful thing to be going on with, even a bit ramshackle, is that right? not something perfect that it would be shocking to modify).

If both theoretical prediction and measurements are robust then every deviation is revolutionary and will change fundamental physics a lot. We had a single clear deviation from the SM in the last decades - neutrino masses.

We already have a discussion here
There are two theory predictions, one agrees with the experiment. It's very likely that the other prediction is just incorrect. We already know that at least one of them must be off, and it's probably not the one that agrees with experiment.

A fifth fundamental force would be pretty significant, if true.

In their defense, Einsteins' relativity and then quantum mechanics both "turned physics on its head" - even for (especially for) the layperson. It overturned how we see our universe.

Suppose that there really is a 4.2 sigma discrepancy and the BMW calculation is wrong.

One thing we can say with certainty is that a measurement that is 4.2 sigma from a theory prediction for muon g-2 does not tell us "what" is causing the discrepancy.

It only tells us "how big" the discrepancy is, and even then, only partially. A discrepancy could be due to a tiny tweak to something central to calculating muon g-2, or it could be a huge tweak to something that only makes a small contribution to the overall result, or it could be something in between, or a bit of all of those explanations.

But, since the calculation of muon g-2 receives contributions from all three Standard Model forces and most of the Standard Model fundamental particles (in addition to any new physics contributions), it is a very global measure of the consistency of the Standard Model with experiment.

Lots of plausible explanations wouldn't involve a "fifth force", just one or more new particles. For example, while no one is proposing this particular explanation of the muon g-2 anomaly, as proof of concept, if there were a fourth generation of Standard Model fermions (t', b', tau', tau neutrino'), this would change the value of muon g-2 a little, without changing any of the forces of the Standard Model.

To give a more "real" example, one of the big differences between the prediction that says there is a 4.2 sigma distinction between experiment and prediction, and the one that says that there is only a 1.6 sigma distinction, is that the second prediction treats up and down quarks as having different masses, while the first one uses only the average mass of the up and down quarks. This slight tweak in the assumed masses of two Standard Model quarks makes a quite significant impact on the predicted discrepancy between theory and experiment, even though both the up quark and down quark masses are tiny (about 2.5% and 5% respectively, of the muon mass).

Also, keep in mind that the discrepancy, even if it is highly statistically significant, is still tiny. It is on the order of 2 parts per billion.

The same can be said of other anomalies that are out there.

For example, there are several kinds of decays of B mesons (composite particles with a valence quark and anti-quark, one of which is a b quark or anti-b quark) which seem to produce decays that generate more electrons than muons for reasons beyond those attributable to their mass differences even though in the Standard Model, this shouldn't happen. This isn't seen in any other kind of decay process.

But guess what. There are almost no processes of engineering importance, or importance in the post-Big Bang natural world, even in extreme circumstances like the inner structure of neutron stars and supernova, in which the ratio of lepton flavors produced in B meson decays play an important part. It is intellectually interesting and could even lead to a tweak of the Standard Model, but it is not important in any practical sense. Nobody even predicted that b-quarks existed until 1973 and no one in the entire history of life on Earth had knowingly observed one until 1977. B mesons are so ephemeral that they have a mean lifetime on the order of a trillionth of a second, and have only ever been produced in the lab in a handful high energy particle colliders.

So, while there may be a crack or two in the Standard Model that doesn't yet have a full explanation, it is still an incredibly precise and accurate description of the real world, and the cracks that are present are either tiny, or in highly exotic phenomena produced only in the most rarified laboratory conditions.


Hi from spain!

I'm so interested in exoplanets, interstellar travel and extraterrestrial intelligence. I hope to learn a lot.

Me llama cuando me necesita

That is about all I can remember about high school Spanish. lol.

Welcome to the ATS nuthouse! Please remember to leave the place better off than when you found it!

De puta madre. Esto es pra ti.

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Particle Physics Experiments Reinforce Evidence of New Force of Nature - History

It’s long been accepted by physics that everything in the Universe is controlled by just four fundamental forces: gravity, electromagnetic, and strong and weak nuclear forces. However, according to some Hungarian physicists, there may be a fifth force of nature, which could be vital evidence to understanding dark matter.

Attila Krasznahorkay and his group at the Hungarian Academy of Sciences’s Institute for Nuclear Research in Debrecen, Hungary, initially published their new discovery last year on the arXiv preprint server. Their findings were published in January 2016 in the journal Physical Review Letters.

Protons were aimed at lithium-7, a collision that created unstable beryllium-8 nuclei, which then decayed into pairs of electrons and positrons. At about 140 degrees, the number of these pairs increased, creating a little bump before dropping off again at higher angles.
According to Krasznahorkay and his team, this ‘bump’ was evidence of a new particle. They calculated that the mass of this new particle would be around 17 megaelectronvolts (MeV), which isn’t what was expected for the ‘dark photon’, but could be evidence of something else entirely. The end result was a new boson particle that was only 34 times heavier than an electron.

“We are very confident about our experimental results,” Krasznahorkay told Nature. However, the report was largely overlooked. Then, on April 25, a group of US theoretical physicists brought the finding to wider attention by publishing its own analysis of the result on arXiv2.

The US team, led by the lead author of the arXiv report, Jonathan Feng from the University of California, Irvine, showed that the data didn’t conflict with previous experiments, and established that it could be evidence for a fifth fundamental force. “We brought it out from relative obscurity,” says Feng.

The physics world is now buzzing with the possibility of an undiscovered fundamental force. Rumours about this elusive fifth force has existed for years, partly motivated by the incapability of the standard model of particle physics to explain dark matter—a hypothetical form of matter that comprises a huge portion of the mass and energy in the observable universe. Dark matter can feel gravity but not electromagnetism, which is why we cannot see or touch it, since our sight, touch, and most of our science experiments detect stuff using the electromagnetic force.

The physicists who conducted the original experiment are confident about what they have discovered. Nature News article reports that other physicists seem doubtful, but are excited about the about the experimental results. Physicists are now thinking about different ways to scrutinize this intriguing finding. Researchers at the Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Newport News, Virginia, CERN, and other labs are trying to see if they can reconstruct the Hungarian team’s results in their own experiments. They are expected to confirm or invalidate the Hungarian experimental results in about a year.


This fifth force may explain some big Universe mysteries

A fifth fundamental force might help explain some of the big puzzles about the Universe that have exercised scientists in recent decades.

For example, the observation that the expansion of the Universe was speeding up was attributed to a mysterious phenomenon known as dark energy. But some researchers have previously suggested it could be evidence of a fifth force.

Dr Maggie Aderin-Pocock, co-presenter of the BBC’s Sky at Night programme said: “It is quite mind boggling. It has the potential to turn physics on its head. We have a number of mysteries that remain unsolved. And this could give us the key answers to solve these mysteries.” [BBC]

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