Vad är ungefär 200 gånger massan av en elektron, existerar i ungefär 2 miljondelar av en sekund, träffar kontinuerligt varje tum av jordens yta och verkar bete sig på ett sätt som gör hål i sedan länge accepterade fysiklagar?
Det skulle vara myonen, en partikel som först upptäcktes i slutet av 1930-talet, som bildas i naturen när kosmiska strålar träffar partiklar i vår planets atmosfär. Myoner passerar genom dig och allt omkring dig med en hastighet nära ljusets. Ändå insåg förmodligen många av oss inte ens deras existens förrän i april 2021, när partikeln skapade nyhetsrubriker efter att forskare vid den amerikanska regeringens Fermi National Accelerator Laboratory - mer känt som Fermilab - släppte de första resultaten av ett treårigt -långt Muon g-2-experiment.
Fermilab-studien bekräftade tidigare fynd att myonen beter sig på ett sätt som strider mot Standard Model of Particle Physics, det teoretiska ramverket som syftar till att beskriva hur verkligheten fungerar på minsta nivå. Som den här artikeln i Science förklarar, är myoner - som finns i ett hav av andra små partiklar och antipartiklar som påverkar dem - faktiskt något mer magnetiska än standardmodellen skulle förutsäga. Det pekar i sin tur på den möjliga existensen av andra, fortfarande okända partiklar eller krafter.
Som en av forskarna, fysikern Jason Bono, förklarade i ett pressmeddelande från hans alma mater Florida International University, visste teamet att om de bekräftade diskrepansen i myonernas magnetism, "skulle vi inte veta exakt vad som orsakade det, men vi skulle veta att det är något som vi inte förstår ännu."
De första resultaten, tillsammans med annan ny partikelforskning, kan hjälpa till att bygga upp fallet för en ny fysik som skulle ersätta standardmodellen. Här är en YouTube-video från Fermilab som förklarar resultaten och deras betydelse:
"Muoner är som elektroner utom 200 gånger tyngre", förklarar Mark B. Wise i en e-postintervju. Han är professor i högenergifysik vid California Institute of Technology och medlem av den prestigefyllda National Academy of Sciences. (Om det inte imponerar tillräckligt på dig, tjänstgjorde han också som teknisk konsult för partikelacceleratorer för 2010 års Hollywoodfilm "Iron Man 2").
"Enligt Einsteins formel E=mc2 betyder detta att myoner i vila har större energi än elektroner", säger Wise. "Detta gör att de kan sönderfalla till lättare partiklar samtidigt som de sparar energi totalt sett."
En annan viktig skillnad är att elektroner tros vara ganska nära odödliga, men myoner existerar bara i 2,2 miljondelar av en sekund, innan de sönderfaller till en elektron och två sorters neutriner, enligt denna US Department of Energy primer på partikeln.
Myonerna som ständigt skapas när kosmiska strålar träffar partiklar i jordens atmosfär färdas häpnadsväckande avstånd under sin korta existens och rör sig nära ljusets hastighet. De träffar varje tum av jordens yta och passerar genom nästan allt i sin omedelbara väg, potentiellt penetrera en mil eller mer in i jordens yta, enligt DOE.
Vissa har beskrivit myoner som nyckeln till att förstå alla subatomära partiklar, även om Wise inte går så långt. "I sökandet efter fysik bortom vår nuvarande förståelse bör du studera alla partiklar," säger han. "Muonen har dock vissa fördelar. Till exempel förutsägs dess avvikande magnetiska moment mycket exakt, vilket gör den mer känslig för ny fysik, utöver vår nuvarande teori som skulle förändra denna förutsägelse. Samtidigt kan den mätas mycket exakt."
Att studera muoner är dock inte en enkel sak. Fermilab använder en 700-tons (635 ton) enhet som innehåller tre ringar, var och en 50 fot (15 meter) i diameter, som fraktades med pråm och lastbil till Illinois från sitt ursprungliga hem vid Brookhaven National Laboratory i New York för några år tillbaka. Enheten kan generera ett magnetfält på 1,45 Tesla, ungefär 30 000 gånger det av jordens magnetfält.
"Det är fascinerande att för att studera något så litet och kortlivat behöver de dessa enorma utrustningar," förklarar Wise. "När de produceras med hög energi färdas de nästan med ljusets hastighet och kan färdas en bra bit innan de sönderfaller. Så du kan leta efter bevisen de lämnar i en detektor."
Till exempel, eftersom myoner är laddade partiklar, kan de jonisera materialet de passerar igenom. Elektronerna som produceras av denna jonisering kan detekteras, enligt Wise.
Wise säger att Fermilab-teamets senaste upptäckt att partikeln är något mer magnetisk än fysikerna förväntade sig är signifikant. "Det stämmer inte överens med nuvarande teoriers förutsägelse för det magnetiska muonmomentet (den nuvarande teorin brukar kallas standardmodellen). Så det finns en del ny fysik utöver det i vår nuvarande teori som är närvarande och ändrar förutsägelsen för denna kvantitet," Wise säger
Liksom många viktiga upptäckter väcker Fermilabs fynd fler nya frågor, och det finns mycket som forskare fortfarande vill veta om myonen.
"Vad är den nya fysiken är frågan den väcker," säger Wise. "Det finns också några andra anomalier som inte förklaras i [Standardmodellen] som involverar myoner. Är de alla kopplade på något sätt?"
Wise låter också en varning om Fermilab-fynden. "Det kan vara att det finns någon systematisk effekt i experimentet som inte förstås och som påverkar tolkningen av mätningen", förklarar han. "På samma sätt för teorin. Så denna anomali kan i slutändan försvinna. Det är mycket viktigt att kontrollera sådana saker så mycket som möjligt."
Nu är det intressantSom Fermilab-fysikern Chris Polly noterar i denna uppsats från 2020, är varje partikel i universum – även i de djupaste, mest till synes tomma vidderna av rymden – omgiven av ett "entourage" av andra partiklar, som ständigt "blinkar in och ut ur existensen". "
