Sju år sedan, en enorm magnet transporterades över 3, 200 miles (5, 150 km) över land och hav, i hopp om att studera en subatomär partikel som kallas en myon.

Myoner är nära besläktade med elektroner, som kretsar runt varje atom och bildar materiens byggstenar. Elektronen och myonen har båda egenskaper som exakt förutspås av vår nuvarande bästa vetenskapliga teori som beskriver subatomären, kvantvärlden, standardmodellen för partikelfysik.

En hel generation av forskare har ägnat sig åt att mäta dessa egenskaper i utsökt detalj. År 2001, ett experiment antydde att en egenskap hos myonen inte var exakt som standardmodellen förutspådde, men nya studier behövdes för att bekräfta. Fysiker flyttade en del av experimentet till en ny accelerator, på Fermilab, och började ta mer data.

En ny mätning har nu bekräftat det initiala resultatet. Detta innebär att nya partiklar eller krafter kan existera som inte tas med i standardmodellen. Om detta är fallet, fysikens lagar kommer att behöva revideras och ingen vet vart det kan leda.

Det senaste resultatet kommer från ett internationellt samarbete, som vi båda är en del av. Vårt team har använt partikelacceleratorer för att mäta en egenskap som kallas myonens magnetiska moment.

Varje myon beter sig som en liten stångmagnet när den utsätts för ett magnetfält, en effekt som kallas det magnetiska momentet. Muoner har också en inneboende egenskap som kallas "spin, " och förhållandet mellan spinn och det magnetiska momentet för myonen är känt som g-faktorn. "g" för elektronen och myonen förutsägs vara två, så g minus två (g-2) bör mätas till noll. Det här är vad vi testar på Fermilab.

För dessa tester, forskare har använt acceleratorer, samma typ av teknik som Cern använder vid LHC. Fermilab acceleratorn producerar myoner i mycket stora mängder och åtgärder, mycket exakt, hur de interagerar med ett magnetfält.

Myonens beteende påverkas av "virtuella partiklar" som dyker in och ut ur tillvaron från vakuumet. Dessa existerar flyktigt, men tillräckligt länge för att påverka hur myonen interagerar med magnetfältet och ändra det uppmätta magnetiska momentet, om än med en liten mängd.

Standardmodellen förutsäger mycket exakt, till bättre än en del på en miljon, vad denna effekt är. Så länge vi vet vilka partiklar som bubblar in och ut ur vakuumet, experiment och teori bör matcha. Men, om experiment och teori inte stämmer överens, vår förståelse av soppan av virtuella partiklar kan vara ofullständig.

Nya partiklar

Möjligheten att nya partiklar existerar är inte passiv spekulation. Sådana partiklar kan hjälpa till att förklara flera av de stora problemen inom fysiken. Varför, till exempel, har universum så mycket mörk materia – vilket får galaxerna att rotera snabbare än vi förväntade oss – och varför har nästan all antimateria som skapades i Big Bang försvunnit?

Problemet hittills har varit att ingen har sett någon av dessa föreslagna nya partiklar. Man hoppades att LHC vid Cern skulle producera dem i kollisioner mellan högenergiprotoner, men de har ännu inte observerats.

Den nya mätningen använde samma teknik som ett experiment vid "Brookhaven National Laboratory i New York, i början av århundradet, som själv följde en rad mätningar vid Cern.

Brookhaven-experimentet mätte en diskrepans med standardmodellen som hade en på 5, 000 chans att vara en statistisk lyckträff. Detta är ungefär samma sannolikhet som att kasta ett mynt 12 gånger i rad, all heads up.

Detta var lockande, men långt under tröskeln för upptäckt, vilket generellt krävs för att vara bättre än en på 1,7 miljoner – eller 21 myntkast i rad. För att avgöra om ny fysik var på gång, forskare skulle behöva öka experimentets känslighet med en faktor fyra.

För att göra den förbättrade mätningen, magneten i hjärtat av experimentet måste flyttas 2013 3, 200 miles från Long Island längs havet och vägen, till Fermilab, utanför Chicago, vars acceleratorer kunde producera en riklig källa av myoner.

Väl på plats, ett nytt experiment byggdes runt magneten med toppmoderna detektorer och utrustning. Muon g-2-experimentet började ta data 2017, med ett samarbete mellan veteraner från Brookhaven-experimentet och en ny generation fysiker.

De nya resultaten, från det första året med data på Fermilab, är i linje med mätningen från Brookhaven-experimentet. Att kombinera resultat förstärker argumenten för en oenighet mellan experimentell mätning och standardmodellen. Chansen ligger nu på ungefär en på 40, 000 av avvikelsen är en slump – fortfarande blyg för tröskeln för upptäckt av guldstandard.

LHC

Spännande nog, en färsk observation av LHCb-experimentet vid Cern fann också möjliga avvikelser från standardmodellen. Det som är spännande är att detta också hänvisar till myonernas egenskaper. Den här gången är det skillnad på hur myoner och elektroner produceras av tyngre partiklar. De två priserna förväntas vara desamma i standardmodellen, men den experimentella mätningen visade att de var annorlunda.

Tagen tillsammans, LHCb- och Fermilab-resultaten stärker fallet att vi har observerat de första bevisen på att standardmodellens förutsägelse misslyckades, och att det finns nya partiklar eller krafter i naturen där ute som ska upptäckas.

För den ultimata bekräftelsen, detta kräver mer data både från Fermilab muon-experimentet och från Cerns LHCb-experiment. Resultat kommer att komma under de närmaste åren. Fermilab har redan fyra gånger mer data än vad som användes i detta senaste resultat, för närvarande analyseras, Cern har börjat ta mer data och en ny generation av myonexperiment håller på att byggas. Det här är en spännande era för fysiken.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.