Modern fysik är full av den slags krångliga, pussel-i-ett-pussel tomter du skulle hitta i en klassisk deckare:Både fysiker och detektiver måste noggrant skilja viktiga ledtrådar från orelaterad information. Både fysiker och detektiver måste ibland driva bortom den självklara förklaringen för att helt avslöja vad som händer.

Och för både fysiker och detektiver, viktiga upptäckter kan bero på avdrag på Sherlock Holmes-nivå baserat på bevis som är lätta att förbise. Fall i punkt:Muon g-2-experimentet pågår för närvarande vid US Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory.

Det nuvarande experimentet Muon g-2 (uttalas "g minus två") är faktiskt en uppföljare, ett experiment avsett att ompröva en liten skillnad mellan teori och resultaten från ett tidigare experiment vid Brookhaven National Laboratory, som också kallades Muon g-2.

Skillnaden kan vara ett tecken på att ny fysik är på gång. Forskare vill veta om mätningen håller ... eller om det inte är annat än en röd sill.

Fermilab Muon g-2-samarbetet har meddelat att det kommer att presentera sitt första resultat den 7 april. Tills dess, låt oss packa upp fakta i fallet.

Det mystiska magnetiska ögonblicket

Allt snurrar, laddade föremål-inklusive muoner och deras mer välkända partikelsyskon, elektroner - genererar sina egna magnetfält. Styrkan hos en partikels magnetfält kallas dess "magnetiska moment" eller dess "g-faktor". (Det är vad "g" -delen av "g-2" syftar på.)

För att förstå "-2" delen av "g-2, "Vi måste resa lite tillbaka i tiden.

Spektroskopi -experiment på 1920 -talet (före upptäckten av muoner 1936) avslöjade att elektronen har en inneboende snurrning och ett magnetiskt moment. Värdet på det magnetiska ögonblicket, g, visade sig vara experimentellt 2. Om varför det var värdet-det mysteriet löstes snart med hjälp av det nya men snabbt växande fältet kvantmekanik.

År 1928, fysikern Paul Dirac-som bygger på arbetet av Llewelyn Thomas och andra-producerade en nu känd ekvation som kombinerade kvantmekanik och speciell relativitet för att exakt beskriva rörelse och elektromagnetiska interaktioner mellan elektroner och alla andra partiklar med samma spinnkvantantal. Dirac -ekvationen, som införlivade snurr som en grundläggande del av teorin, förutsade att g skulle vara lika med 2, exakt vad forskare hade mätt vid den tiden.

Men när experimenten blev mer exakta på 1940 -talet, nya bevis kom fram som återupptog fallet och ledde till överraskande nya insikter om kvantområdet.

En konspiration av partiklar

Elektronen, Det visade sig, hade lite extra magnetism som Diracs ekvation inte stod för. Den där extra magnetismen, matematiskt uttryckt som "g-2" (eller mängden som g skiljer sig från Diracs förutsägelse), är känt som det "avvikande magnetiska ögonblicket". Ett tag, vetenskapsmän visste inte vad som orsakade det.

Om detta var ett mordmysterium, det avvikande magnetiska ögonblicket skulle vara ungefär som ett extra fingeravtryck av okänd härkomst på en kniv som används för att hugga ett offer - en liten men misstänksam detalj som kräver ytterligare utredning och kan avslöja en helt ny dimension av berättelsen.

Fysikern Julian Schwinger förklarade anomalin 1947 genom att teoretisera att elektronen kunde avge och sedan återabsorbera en "virtuell foton". Den flyktiga interaktionen skulle öka elektronens inre magnetism något med en tiondel av procenten, mängden som behövs för att anpassa det förutsagda värdet till det experimentella beviset. Men fotonen är inte den enda medhjälpare.

Över tid, forskare upptäckte att det fanns ett omfattande nätverk av "virtuella partiklar" som ständigt poppar in och ut ur existensen från kvantevakuumet. Det var det som hade rört med elektronens lilla snurrande magnet.

Det avvikande magnetiska ögonblicket representerar det samtidiga kombinerade inflytandet av varje möjlig effekt av dessa flyktiga kvantkonspiratorer på elektronen. Vissa interaktioner är mer benägna att inträffa, eller känns starkare än andra, och de gör därför ett större bidrag. Men varje partikel och kraft i standardmodellen deltar.

De teoretiska modellerna som beskriver dessa virtuella interaktioner har varit ganska framgångsrika för att beskriva magnetism hos elektroner. För elektronens g-2, teoretiska beräkningar överensstämmer nu med experimentvärdet att det är som att mäta jordens omkrets med en noggrannhet som är mindre än bredden på ett enda hår.

Allt bevis pekar på kvantstörningar som orsakas av kända partiklar som orsakar magnetiska avvikelser. Avslutat fall, höger?

Inte riktigt. Det är nu dags att höra muons sida av historien.

Inte ett hår på sin plats - eller finns det?

Tidiga mätningar av muons avvikande magnetiska ögonblick vid Columbia University på 1950 -talet och vid det europeiska fysiklaboratoriet CERN på 1960- och 1970 -talen stämde väl överens med teoretiska förutsägelser. Mätningens osäkerhet minskade från 2% 1961 till 0,0007% 1979. Det såg ut som om samma konspiration av partiklar som påverkade elektronens g-2 också var ansvarig för muonets magnetiska ögonblick.

Men då, 2001, Brookhaven Muon g-2-experimentet visade upp något konstigt. Experimentet var utformat för att öka precisionen från CERN -mätningarna och titta på den svaga kraftens bidrag till anomalin. Det lyckades krympa felstaplarna till en halv del per miljon. Men det visade också en liten skillnad - mindre än 3 delar per miljon - mellan den nya mätningen och det teoretiska värdet. Den här gången, teoretiker kunde inte komma på ett sätt att räkna om sina modeller för att förklara det. Ingenting i standardmodellen kan ta hänsyn till skillnaden.

Det var fysikmysteriet motsvarande ett enda hår som hittades på en brottsplats med DNA som inte tycktes matcha någon som är kopplad till fallet. Frågan var - och är fortfarande - om hårets närvaro bara är en slump, eller om det faktiskt är en viktig ledtråd.

Fysiker undersöker nu detta "hår" på Fermilab, med stöd från DOE Office of Science, National Science Foundation och flera internationella byråer i Italien, Storbrittanien, EU, Kina, Korea och Tyskland.

I det nya Muon g-2-experimentet en stråle av muoner - deras snurr alla pekar i samma riktning - skjuts in i en typ av accelerator som kallas en lagringsring. Ringens starka magnetfält håller muonerna på en väldefinierad cirkulär bana. Om g var exakt 2, då skulle muons snurr följa deras momentum exakt. Men, på grund av det avvikande magnetiska ögonblicket, muonerna har en liten ytterligare vingla i rotationen av sina snurr.

När en muon förfaller till en elektron och två neutrinoer, elektronen tenderar att skjuta iväg i den riktning som muons snurr pekade. Detektorer på insidan av ringen plockar upp en del av elektronerna som slungas av muoner som upplever vinglingen. Att registrera antalet och energierna för elektroner som de upptäcker över tiden kommer att berätta för forskare hur mycket muonspinnet har roterat.

Med samma magnet från Brookhaven -experimentet med betydligt bättre instrumentering, plus en mer intensiv stråle av muoner som produceras av Fermilabs acceleratorkomplex, forskare samlar in 21 gånger mer data för att uppnå fyra gånger större precision.

Experimentet kan bekräfta förekomsten av avvikelsen; det kan inte hitta någon skillnad alls, pekar på ett problem med Brookhaven -resultatet; eller det kan hitta något däremellan, lämnar ärendet olöst.

Söker kvanten underjorden

Det finns anledning att tro att något pågår som standardmodellen inte har berättat om.

Standardmodellen är en anmärkningsvärt konsekvent förklaring till i stort sett allt som händer i den subatomära världen. Men det finns fortfarande ett antal olösta mysterier i fysiken som den inte tar upp.

Mörk materia, till exempel, utgör cirka 27% av universum. Och ändå, vetenskapsmän har fortfarande ingen aning om vad den består av. Ingen av de kända partiklarna verkar passa räkningen. Standardmodellen kan inte heller förklara massan av Higgs -bosonet, som är förvånansvärt liten. Om Fermilab Muon g-2-experimentet fastställer att något bortom standardmodellen-till exempel en okänd partikel-mäter mätbart med muons magnetiska moment, det kan peka forskare i rätt riktning att stänga ytterligare en av dessa öppna filer.

En bekräftad avvikelse kommer faktiskt inte att ge detaljer på DNA-nivå om vilken partikel eller kraft som gör sin närvaro känd, men det kommer att hjälpa till att begränsa intervallet för massa och interaktionsstyrka där framtida experiment sannolikt hittar något nytt. Även om skillnaden försvinner, data kommer fortfarande att vara användbara för att bestämma var de ska leta.

Det kan vara så att en skuggig kvantfigur som lurar bortom standardmodellen är för väl dold för att nuvarande teknik ska kunna upptäcka. Men om det inte är det, fysiker kommer inte att lämna några stenar oväntade och inga fläckar av bevis analyseras förrän de knäcker fallet.

Denna berättelse om Muon g-2-experimentet publicerades ursprungligen i Symmetry.