In de aanloop naar de Muon g-2 persconferentie 7 april 17.00 uur

Infografiek over het muon. Credit: Diana Brandonisio/FNAL

Op woensdag 7 april om 17.00 uur vindt de langverwachte persconferentie plaats waarin de resultaten bekend worden gemaakt van Fermilab’s Muon g-2 experiment. In de aanloop daar naartoe is het goed om nog even op een rijtje te zetten wat dat experiment inhoudt en waarom het mogelijk baanbrekend gaat zijn. Alles draait in het Muon g-2 experiment om het muon, tsjonge wat een verrassing. Het muon is de grote broer (of neef?) van het elektron, 207 keer zo zwaar, ontdekt in 1936. Iedere seconde vliegen er zonder dat je er erg in hebt een paar honderd muonen door je hoofd. In 1928, acht jaar voor de ontdekking, deed de natuurkundige Paul Dirac een voorspelling: alle elektronen en deeltjes met dezelfde spin hebben een magnetisch moment g dat precies 2 is. Het spinkwantumgetal van elektron en muon is 1/2, dus volgens Dirac zou hun magnetisch moment 2 moeten zijn. Maar zowel van elektron als muon bleek g niet 2 te zijn, maar werd een anomalie geconstateerd, die g-2 wordt genoemd, een dimensieloos getal. In 1947 kwam de natuurkundige Julian Schwinger met een mogelijke verklaring van de anomalie bij het elektron. Volgens hem zou het elektron een virtueel foton kunnen uitzenden en vervolgens weer absorberen, waardoor het magnetische moment van het elektron iets verstoorde, pakweg een tiende van een procent. Later bleek er continu een hele zwerm virtuele deeltjes te zijn rondom elektronen, waardoor hun magnetisch moment ietsje afwijkt. Met alle bekende virtuele deeltjes (volgens de zogeheten Quantum Electrodynamica, QED) bleek de voorspelde waarde van g-2 van het elektron precies te kloppen met de waargenomen waarde.

Zo werkt het Muon g-2 experiment precies. Credit: FNAL.

Maar niet van het zwaardere muon. In 2001 kwam bij metingen tijdens het Brookhaven Muon g-2 experiment een resultaat naar voren dat niet in overeenstemming was met de berekeningen, welke bij het elektron wel werkten. Daar maten ze de volgende anomalie: a = (g-2)/2 = 116 592 089(63) × 10-¹¹, waar het Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten a = 116 591 810(43) × 10-¹¹ voorspelt (leze dit 165 pagina’s tellende artikel over hoe de theoretische SM-waarde tot stand kwam), dus een verschil van ?a = 2,79 ± 0.76 × 10?⁹. Statistische betrouwbaarheid van de metingen in Brookhaven: 3,7σ – erg betrouwbaar, maar nog niet de vereiste 5σ om te spreken van een ontdekking. Er was niets in SM dat in virtuele vorm het waargenomen verschil in Brookhaven kon verklaren. Zouden er in de wolk van virtuele deeltjes rondom het kortlevende muon (64 milliseconde, meer heeft ‘ie niet) soms af en toe onbekende deeltjes opploppen, deeltjes die niet bekend zijn in SM? Enter Fermilab’s Muon g-2 experiment! Daar hebben ze door betere instrumenten (o.a. een grote ring met een diameter van 14 meter, zie foto hieronder) sinds 2018 21 keer zoveel data weten te vergaren als tijdens het experiment van Brookhaven National Laboratory in 2001 en is een nauwkeurigheid bereikt die vier keer zo groot is.

Credit: FNAL.

Alle ogen zijn woensdag gericht op de persconferentie, die woensdag wordt gegeven door het team van Fermilab, want de hoop is dat de anomalie van Brookhaven wordt bevestigd en dat de statistische betrouwbaarheid hoger dan de eerder gemeten 3,7σ is. Mocht dat inderdaad zo zijn dan wijst dat er op dat er een nog niet bekend deeltje moet zijn, dat in virtuele vorm bijdraagt aan de gemeten anomalie en dat niet past in SM. Mogelijk gaat het daarbij om een donker foton, óók een hypothetische kandidaat voor donkere materie. Dát zou dan de eerste aanwijzing (nee helaas nog geen bewijs) zijn voor natuurkunde BSM, beyond Standard Model!

Als afsluiting hieronder nog een informatie collectie tweets van Laura Baudis over het muon g-2 experiment van Fermilab (klik op de datum/tijd onder de tweet om de hele collectie te zien).

Some background information on the “g-2” value of the muon: The muon is an elementary particle, ~206 times heavier than the electron. Like the electron, the muon has an internal magnet, a magnetic moment, related to its angular momentum called spin 1/n

— Laura Baudis (@lbaudis) February 15, 2021

Bron: Francis Naukas + Particle Bites + Symmetry Magazine.

Gerelateerde Astroblogs:

Donkere fotonen kunnen goed de g-2 anomalie verklaren Het Muon g-2 experiment is met nieuwe resultaten gekomen – hoe interpreteren we die? Botsende neutronensterren kunnen wijzen op Nieuwe Natuurkunde, zoals axionen