Nyheten om att muoner har lite extra vickor i sitt steg skickade budskap runt världen i våras.

Muon g-2-experimentet på Fermi National Accelerator Laboratory meddelade den 7 april att de hade mätt en partikel som kallas en muon som beter sig något annorlunda än vad som förutspåtts i deras gigantiska accelerator. Det var den första oväntade nyheten inom partikelfysik på flera år.

Alla är glada, men få fler än forskarna vars jobb det är att spetsa teorier om hur universum är sammansatt. För dessa teoretiker, tillkännagivandet får dem att damma av gamla teorier och spekulera i nya.

"Till många av oss, det ser ut som och luktar som ny fysik, "sa prof. Dan Hooper." Det kan vara så att vi en dag ser tillbaka på det här och detta resultat ses som en härold. "

Gordan Krnjaic, en kollega teoretisk fysiker, överens:"Det är en bra tid att vara spekulant."

De två forskarna är knutna till University of Chicago och Fermilab; ingen av dem fungerade direkt på Muon g-2-experimentet, men båda var upprymda över resultaten. Till dem, dessa fynd kan vara en ledtråd som pekar vägen för att avslöja de sista mysterierna i partikelfysik - och med det, vår förståelse av universum som helhet.

Sätta standarden

Problemet var att allt gick som förväntat.

Baserat på hundraåriga experiment och teorier som går tillbaka till tiden för Albert Einsteins tidiga forskning, forskare har skisserat en teori om hur universum – från dess minsta partiklar till dess största krafter – sätts samman. Denna förklaring, kallad standardmodellen, gör ett ganska bra jobb med att ansluta prickarna. Men det finns några hål – saker vi har sett i universum som inte tas med i modellen, som mörk materia.

Inga problem, trodde forskare. De byggde större experiment, som Large Hadron Collider i Europa, att undersöka de mest grundläggande egenskaperna hos partiklar, säker på att detta skulle ge ledtrådar. Men även när de tittade djupare, ingenting de hittade verkade i oförmåga med standardmodellen. Utan nya vägar att undersöka, forskare hade ingen aning om var och hur de skulle leta efter förklaringar till avvikelserna som mörk materia.

Sedan, till sist, Muon g-2-experimentresultaten kom från Fermilab (som är knutet till University of Chicago). Experimentet rapporterade en liten skillnad mellan hur myoner skulle bete sig enligt standardmodellen, och vad de faktiskt gjorde inuti den gigantiska gaspedalen.

Morden bröt ut runt om i världen, och Hoopers sinnen, Krnjaic och deras kollegor i teoretisk fysik började tävla. Nästan vilken förklaring som helst till en ny rynka i partikelfysiken skulle ha djupgående konsekvenser för universums historia.

Det beror på att de minsta partiklarna påverkar de största krafterna i universum. De små skillnaderna i massorna av varje partikel påverkar hur universum expanderade och utvecklades efter Big Bang. I tur och ordning, som påverkar allt från hur galaxer hålls samman ner till själva materiens natur. Det är därför forskare vill mäta exakt hur fjärilen flaxade med vingarna.

De troliga misstänkta

Än så länge, det finns tre huvudsakliga möjliga förklaringar till Muon g-2-resultaten – om det verkligen är ny fysik och inte ett fel.

Den ena är en teori som kallas "supersymmetri, "som var väldigt moderiktigt i början av 2000 -talet, Sa Hooper. Supersymmetri antyder att varje subatomär partikel har en partnerpartikel. Det är attraktivt för fysiker eftersom det är en övergripande teori som förklarar flera avvikelser, inklusive mörk materia; men Large Hadron Collider har inte sett några bevis för dessa extra partiklar. Än.

En annan möjlighet är att några oupptäckta, relativt tung form av materia interagerar starkt med muoner.

Till sist, det kan också finnas några andra typer av exotiska ljuspartiklar, ännu oupptäckt, som interagerar svagt med myoner och orsakar vacklan. Krnjaic och Hooper skrev ett papper som beskriver vilken lätt partikel, som de kallade "Z prime, "kan betyda för universum.

"Dessa partiklar måste ha funnits sedan Big Bang, och det skulle innebära andra konsekvenser - till exempel de kan ha en inverkan på hur snabbt universum expanderade under sina första ögonblick, " sa Krnjaic.

Det kan sammanfalla med ett annat mysterium som forskare funderar över, kallas Hubble-konstanten. Den siffran är tänkt att indikera hur snabbt universum expanderar, men det varierar något beroende på vilket sätt man mäter det - en avvikelse som kan tyda på en saknad del i vår kunskap.

Det finns andra, ytterligare möjligheter, som att muonerna stöts av partiklar som blinkar in och ut ur existens från andra dimensioner. ("En sak som partikelfysiker sällan anklagas för är brist på kreativitet, sa Hooper.)

Men forskarna sa att det är viktigt att inte avfärda teorier direkt, hur vilda de än låter.

"Vi vill inte förbise något bara för att det lät konstigt, "sa Hooper." Vi försöker ständigt skaka träden för att få varje idé vi kan. Vi vill jaga detta överallt där det kan gömma sig. "

Sigma steg

Det första steget, dock, är att bekräfta att Muon g-2-resultatet stämmer. Forskare har ett system för att avgöra om resultaten av ett experiment är verkliga och inte bara en blipp i data. Resultatet som tillkännagavs i april nådde 4,2 sigma; riktmärket som betyder att det nästan säkert är sant är 5 sigma.

"Om det verkligen är ny fysik, vi kommer mycket närmare att veta om ett år eller två, " sa Hooper. Muon g-2-experimentet har mycket mer data att sålla igenom. Under tiden, Resultaten av några mycket komplicerade teoretiska beräkningar – så komplicerade att till och med de mest kraftfulla superdatorerna i världen behöver tugga på dem i månader till år – borde vara på väg att ta sig fram.

Dessa resultat, om de når en 5 sigma konfidensnivå, kommer att visa forskarna vart de ska gå härnäst. Till exempel, Krnjaic hjälpte till att föreslå ett Fermilab-program som heter M3 som kunde begränsa möjligheterna genom att avfyra en stråle av myoner mot ett metallmål – mäta energin före och efter att myonerna träffade. Dessa resultat kan indikera närvaron av en ny partikel.

Under tiden, vid den fransk-schweiziska gränsen, Large Hadron Collider är planerad att uppgradera till en högre ljusstyrka som kommer att producera fler kollisioner. Nya bevis för partiklar eller andra fenomen kan dyka upp i deras data.

All denna upphetsning över en wobbling kan verka som en överreaktion. Men små avvikelser kan, och ha, ledde till massiva omvälvningar. Tillbaka på 1850-talet, astronomer som gjorde mätningar av Merkurius bana märkte att den var lite från vad Newtons gravitationsteori skulle förutsäga. "Den anomalin, tillsammans med andra bevis, så småningom ledde oss till teorin om allmän relativitet, " sa Hooper.

"Ingen visste vad det handlade om, men det fick folk att tänka och experimentera. Min förhoppning är att vi en dag kommer att se tillbaka på detta muonresultat på samma sätt."