En af de mindste byggesten i universet har et indvejningsproblem, og Ashutosh Kotwal er fast besluttet på at komme til bunden af det.
I næsten 30 år har hertugfysikeren ført en verdensomspændende indsats for at få hjem i massen af en grundlæggende partikel kaldet W Boson.
Det er den kraftbærende partikel, der giver solen mulighed for at brænde og nye elementer dannes, så det er temmelig vigtigt. Uden det ville hele universet være i mørke.
Men i de senere år har W Boson været kilden til en rift i fysikverdenen. Det skyldes, at de to mest præcise målinger til dato for dens masse – i det væsentlige, hvor meget sag eller “ting” partiklen indeholder – ikke line up.
Hvad der står på spil er mere end en subatomisk version af et carnevalvægt gætteri. Spørgsmålet er, om vores forståelse af naturlovene skal omskrives.
Og nu, i den første af en række nye studier, undersøger Kotwal, hvad der kan være bag denne måling conundrum – og hvordan man løser det.
Overdimensioneret eller ej?
Det hele startede for et par år siden, sagde Kotwal, da han og et team af fysikere sigte gennem data fra Fermi National Accelerator Laboratory nær Chicago fik en nysgerrig overraskelse.
Deres analyse af CDF -eksperimentet, baseret på omkring 4 millioner W -bosoner produceret af det, der engang var verdens mest kraftfulde partikelaccelerator, antydede, at partiklerne var markant heftigere end forudsagt af den vigtigste teori i partikelfysik.
Fysikere måler massen af subatomære partikler i enheder kaldet elektronvolt eller EV. I henhold til teori burde W Boson have en masse meget tæt på 80.357 millioner eV, eller ca. 80 gange massen af en proton.
Men holdets måling – som tog 10 år at foretage og var den mest præcise massemåling, der nogensinde er foretaget for W Boson – kom ind i hele 77 millioner EV heftigere og med kun en 0,01% fejlmargin. Det var for stort af en uoverensstemmelse til at blive afskrevet som en fluke.
Resultaterne rejste muligheden for revner i standardmodellen for partikelfysik, vores bedste forklaring af, hvordan partikler kombinerer og interagerer for at skabe verden omkring os.
Men en efterfølgende måling, der blev frigivet sidste år af forskere ved CERN og næsten lige så præcis, kastede W Boson i et mere humdrum -lys.
Resultatet, den første W -massemåling fra CMS -eksperimentet på CERNs store Hadron Collider i Schweiz, kunne ikke finde noget usædvanligt eller usædvanligt. Tværtimod havde dette hold lukket nøjagtigt den masse, der blev forudsagt af fysikernes standardmodel.
Med andre ord, ligesom det – poof – var afvigelsen væk.
Uoverensstemmelsen mellem de to eksperimenter antyder, at et eller begge hold har gået glip af noget.
Det er muligt, sagde han, at der er “en potentiel fejl, der gemmer sig i en af vores teknikker”, eller at et af holdene overså en vis fejlkilde.
Siden da har Kotwal arbejdet med at forstå rødderne af uoverensstemmelsen og plukket alle aspekter af deres analyser fra hinanden på jagt efter en forklaring på, hvorfor de to grupper ankom til så forskellige svar.
Sådan vejes en boson
En del af problemet er, at det er en fiendisk vanskelig måling at foretage.
Siden W Boson blev opdaget i 1983, har hold af forskere, der bruger forskellige detektorer, gjort flere forsøg på at måle dens masse. Men de kan ikke bare sætte det på en skala og veje den.
For det første er det ekstremt kortvarigt. W -bosoner fremstilles ved at smadre stråler af partikler sammen med næsten lysets hastighed inde i kraftfulde partikelkollider som Tevatron ved Fermilab.
Men W -bosonerne spyttes ud af disse kollisioner bryder næsten så snart de er dannet, og dukker op i partikelkollider i mindre end en billion af en billion af et sekund, før de forfaldne.
Så forskere er nødt til at veje W Boson indirekte og udlede sin masse ved at studere bruserne af partikler, som de forfaldne bosoner producerer.
For at få massemålingen rigtigt, sagde Kotwal, skal forskere først omhyggeligt måle energierne og momentaet for disse flyvende affaldspartikler, når de glimtes af detektoren.
Ved at måle deres kinetiske energi – i det væsentlige, hvor meget “oomph” de har, når de flyver ud – er forskerne i stand til at arbejde baglæns ved at bruge lovene om energi og momentumbevaring for at bestemme massen af W -bosonet.
I en ny undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsforskningKotwal sætter disse beregninger på prøve.
Flyveveje
Massemålingen fra Fermilab -teamet er baseret på en analyse af 4,2 millioner W -bosoner produceret ved en partikelkollider kaldet Tevatron mellem 2002 og 2011.
Den vigtigste del af deres eksperiment er et kanformet kammer pakket med 30.240 højspændingsledninger, der registrerer og bestemmer 3D-positionen for hver forfaldspartikel ved 96 forskellige punkter, når den suser udad fra kollisionspunktet.
Men partiklerne bevæger sig ikke i lige linjer. De sporer en bue, når de krummer rundt om kammerets magnetfelt på en forudsigelig sti.
Ved i det væsentlige at tegne en kurve gennem serien med signaler, de efterlader, er CDF -forskerne i stand til meget præcist at bestemme hver partikels momentum og andre egenskaber.
“Det er meget som Connect-the-Dots-spillet, vi plejede at lege som børn,” sagde Kotwal.
Kotwal siger, at teamet tilbragte fire år på at sikre, at de kunne rekonstruere hver partikles bane med udsøgt præcision ved hjælp af sofistikerede algoritmer til at finde ud af placeringen af hver af de titusinder af ledninger til inden for en million på en meter.
Det er stadig muligt, sagde Kotwal, at en vis fejl ved at spore denne flyvevej kunne smide dem af.
“Hvad hvis ledningerne ikke var nøjagtigt, hvor vi troede, de var, og vi ikke var klar over det?” Sagde Kotwal. “Antag, at trådkammeret blev presset eller bøjet på en bestemt måde, så ville alle trådpositioner være lidt slukket.”
Så Kotwal undersøgte alle de mulige subtile ledningsforandringer, der kunne sætte deres resultat i tvivl.
I de første resultater af en intern revision, der blev offentliggjort denne måned, rapporterede han resultaterne.
“Alle mulige skift blev kontrolleret og fundet at være for små til at gøre noget,” sagde Kotwal. Selv at tage miniscule mulige skift i ledningerne i kammeret i betragtning, kan en partikels kinetiske energi stadig måles til den angivne nøjagtighed på 25 dele pr. Million.
“Fra dette perspektiv tjekker CDF -målingen ud,” sagde Kotwal.
Der er mere arbejde, der skal gøres for at sortere årsagen til kløften mellem de to eksperimenter, tilføjede han.
Men målet er at trække gardinet tilbage, så hvert trin er lagt bare og andre forskere kan se, hvordan de ankom til deres svar.
“Når du går efter en grundlæggende parameter for naturen, kan metoderne ikke være uigennemsigtige. De skal være fuldt gennemsigtige,” sagde Kotwal.
Kotwal siger, at han håber, at andre eksperimenter vil gøre det samme.
At finde ud af, hvad vi får forkert, er nøglen til at få det rigtigt, tilføjede han.
“Hvad hvis vi overså noget her? Det er vores pligt at tjekke,” sagde han og understregede, at det er for tidligt at erklære sagen lukket for håb for ny fysik.
“Det, som vi alle burde gøre, er ikke at hoppe til en eller anden konklusion, men at grave ind og finde ud af, hvilke metoder der er rigtige, og hvilke metoder der er forkerte.
“Sådan skal forskere gøre det, ikke?”