År 2001 vid Brookhaven National Laboratory i Upton, New York, en anläggning som används för forskning inom kärn- och högenergifysik, forskare som experimenterade med en subatomär partikel som kallas en myon stötte på något oväntat.

För att förklara de grundläggande fysiska krafterna som verkar i universum och att förutsäga resultaten av högenergipartikelexperiment som de som utfördes i Brookhaven, Fermilab i Illinois, och vid CERNs Large Hadron Collider i Genève, Schweiz, fysiker förlitar sig på den decennier gamla teorin som kallas standardmodellen, vilket borde förklara det exakta beteendet hos myoner när de avfyras genom ett intensivt magnetfält som skapas i en supraledande magnetisk lagringsring. När myonen i Brookhaven-experimentet reagerade på ett sätt som skilde sig från deras förutsägelser, forskare insåg att de stod på randen till en upptäckt som kan förändra vetenskapens förståelse av hur universum fungerar.

Tidigare den här månaden, efter en decennier lång ansträngning som innebar att bygga mer kraftfulla sensorer och förbättra forskarnas kapacitet att bearbeta 120 terabyte data (motsvarande 16 miljoner digitala fotografier varje vecka), ett team av forskare vid Fermilab tillkännagav de första resultaten av ett experiment som heter Muon g-2 som tyder på att Brookhaven-fyndet inte var någon slump och att vetenskapen står på randen till en oöverträffad upptäckt.

UVA-fysikprofessor Dinko Počanić har varit involverad i Muon g-2-experimentet under mer än två decennier, och UVA Today pratade med honom för att lära sig mer om vad det betyder.

F. Vilka är resultaten av Brookhaven och Fermilab Muon g-2 experiment, och varför är de viktiga?

A. Så, i Brookhaven-experimentet, de gjorde flera mätningar med positiva och negativa myoner – en instabil, mer massiv kusin till elektronen - under olika omständigheter, och när de tog ett genomsnitt av sina mått, de kvantifierade en magnetisk anomali som är karakteristisk för myonen mer exakt än någonsin tidigare. Enligt den relativistiska kvantmekaniken, styrkan på myonens magnetiska moment (en egenskap som den delar med en kompassnål eller en stångmagnet) bör vara två i lämpliga dimensionslösa enheter, samma som för en elektron. Standardmodellen säger, dock, att det inte är två, den är lite större, och den skillnaden är den magnetiska anomalien. Anomin speglar kopplingen av myonen till i stort sett alla andra partiklar som finns i naturen. Hur är detta möjligt?

Svaret är att utrymmet i sig inte är tomt; vad vi tänker på som ett vakuum innehåller möjligheten att skapa elementarpartiklar, fått tillräckligt med energi. Faktiskt, dessa potentiella partiklar är otåliga och är praktiskt taget upphetsade, gnistor i rymden under ofattbart korta ögonblick i tiden. Och hur flyktigt det än är, denna gnista "känns" av en myon, och det påverkar subtilt myonens egenskaper. Således, den magnetiska anomalien i muon ger en känslig sond av det subatomära innehållet i vakuumet.

Till enorm frustration för alla praktiserande fysiker i min generation och yngre, Standardmodellen har varit otroligt ogenomtränglig för utmaningar. Vi vet att det finns saker som måste existera utanför det eftersom det inte kan beskriva allt vi vet om universum och dess utveckling. Till exempel, det förklarar inte förekomsten av materia framför antimateria i universum, och det säger ingenting om mörk materia eller många andra saker, så vi vet att det är ofullständigt. Och vi har försökt mycket hårt att förstå vad dessa saker kan vara, men vi har inte hittat något konkret än.

Så, med detta experiment, vi utmanar standardmodellen med ökande precisionsnivåer. Om standardmodellen är korrekt, vi bör observera en effekt som är helt överensstämmande med modellen eftersom den inkluderar alla möjliga partiklar som tros finnas i naturen, men om vi ser ett annat värde för denna magnetiska anomali, det betyder att det faktiskt finns något annat. Och det är vad vi letar efter:det här något annat.

Det här experimentet säger oss att vi är på gränsen till en upptäckt.

F. Vilken roll har du kunnat spela i experimentet?

S. Jag blev medlem i detta samarbete när vi precis hade börjat planera för uppföljningen av Brookhaven-experimentet runt 2005, bara ett par år efter att Brookhaven-experimentet avslutades, och vi tittade på möjligheten att göra en mer exakt mätning i Brookhaven. Så småningom övergavs den idén, eftersom det visade sig att vi kunde göra ett mycket bättre jobb på Fermilab, som hade bättre strålar, intensivare myoner och bättre förutsättningar för experiment.

Så, vi föreslog att omkring 2010, och det godkändes och finansierades av amerikanska och internationella finansieringsorgan. En viktig del finansierades av National Science Foundation Major Research Instrumentation-anslag som tilldelades ett konsortium av fyra universitet, och UVA var en av dem. Vi utvecklade en del av instrumenteringen för detektering av positroner som uppstår vid sönderfall av positiva myoner. Vi avslutade det arbetet, och det var lyckat, så min grupp bytte fokus till de exakta mätningarna av magnetfältet i lagringsringen på Fermilab, en kritisk del av att kvantifiera den magnetiska anomalien i muon. Min UVA-fakultetskollega Stefan Baessler har också arbetat med detta problem, och flera UVA-studenter och postdoktorer har varit aktiva i projektet genom åren.

Q. Fermilab har meddelat att detta bara är de första resultaten av experimentet. Vad behöver fortfarande hända innan vi vet vad denna upptäckt betyder?

S. Det beror på hur resultaten av vår analys av de ännu ej analyserade körsegmenten blir. Analysen av den första körningen tog cirka tre år. Körningen avslutades 2018, men jag tror att nu när vi har löst några av problemen i analysen, det kan gå lite snabbare. Så, om cirka två år skulle det inte vara orimligt att ha nästa resultat, vilket skulle vara lite mer exakt eftersom det kombinerar körningar två och tre. Sedan blir det en ny körning, och vi kommer förmodligen att slutföra data om två år till eller så. Det exakta slutet av mätningarna är fortfarande något osäkert, men jag skulle säga att om fem år från nu, kanske förr, vi borde ha en mycket tydlig bild.

F. Vilken typ av inverkan kan dessa experiment ha på vår vardag?

S. Ett sätt är att driva specifika teknologier till det yttersta för att lösa olika aspekter av mätning för att få den precisionsnivå vi behöver. Effekten skulle sannolikt komma inom områden som fysik, industri och medicin. Det kommer att finnas tekniska spin-offs, eller åtminstone förbättringar i tekniker, men vilka specifika kommer ut ur detta, det är svårt att förutse. Vanligtvis, vi pressar företag att tillverka produkter som vi behöver som de annars inte skulle göra, och sedan öppnar sig ett nytt fält för dem när det gäller applikationer för dessa produkter, och det är vad som ofta händer. World Wide Web uppfanns, till exempel, eftersom forskare som vi behövde kunna utbyta information på ett effektivt sätt över stora avstånd, runt världen, verkligen, och det är så vi har, väl, webbläsare, Zoom, Amazon och alla dessa typer av saker idag.

Det andra sättet vi drar nytta av är genom att utbilda unga forskare – av vilka några kommer att fortsätta i den vetenskapliga och akademiska karriären som jag själv – men andra kommer att gå vidare till olika verksamhetsområden i samhället. De kommer att ta med sig en expertis inom mycket högnivåtekniker för mätning och analys som normalt inte finns inom många områden.

Och då, till sist, ett annat resultat är intellektuell förbättring. Ett resultat av detta arbete kommer att vara att hjälpa oss att bättre förstå universum vi lever i.

F. Kan vi se fler sådana upptäckter inom en snar framtid?

A. Ja, Det finns en hel klass av experiment förutom detta som tittar på mycket exakta tester av standardmodellen på ett antal sätt. Jag påminns alltid om det gamla ordspråket att om du tappar bort dina nycklar på gatan sent på kvällen, du ska först leta efter dem under gatlyktan, och det är vad vi gör. Så överallt finns det en gatlykta, tittade. Det här är en av dessa platser – och det finns flera andra, väl, Jag skulle säga dussintals andra, om du även inkluderar sökningar som pågår efter subatomära partiklar som axioner, kandidater för mörk materia, exotiska processer som dubbel beta-sönderfall, och sådana saker. En av dessa dagar, nya saker kommer att hittas.

Vi vet att standardmodellen är ofullständig. Det är inte fel, i den mån det går, men det finns saker utanför det som inte innehåller, och vi kommer att hitta dem.