Les expériences de physique des particules renforcent les preuves d'une nouvelle force de la nature

Les expériences de physique des particules renforcent les preuves d'une nouvelle force de la nature

Une expérience récemment achevée au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) dans la banlieue de Chicago a produit des données solides suggérant qu'une nouvelle force de la nature pourrait avoir été découverte. Si ce résultat est finalement confirmé, cela nécessiterait une révision du Modèle Standard de la physique des particules, qui postule actuellement l'existence de seulement quatre lois qui régissent les interactions au niveau subatomique : l'électromagnétisme, la gravité, la force nucléaire faible et la force nucléaire forte. Obliger. La force de la nature apparemment nouvelle découverte dans le Laboratoire Fermi et le Grand collisionneur de hadrons du CERN crée un énorme buzz dans le monde de la physique quantique.

Des preuves s'accumulent pour une cinquième force

Les résultats anormaux récemment rapportés par le Fermilab sont cohérents avec les résultats expérimentaux obtenus dans d'autres installations de recherche en physique des hautes énergies. Le mois dernier encore, des physiciens travaillant au Grand collisionneur de hadrons du CERN, l'accélérateur de particules le plus puissant au monde, ont affirmé avoir trouvé des preuves d'une cinquième force à l'œuvre dans la nature et leurs résultats correspondent à ceux obtenus au Laboratoire Fermi de manière extrêmement importante.

Le Dr Maggie Aderin-Pocock, co-présentatrice de l'émission scientifique de la BBC Sky at Night, a qualifié l'annonce du Fermilab de « assez ahurissante ».

"Cela a le potentiel de bouleverser la physique", a ajouté Aderin-Pocock. « Nous avons un certain nombre de ces mystères qui restent non résolus. Et cela pourrait nous donner les réponses clés pour résoudre ces mystères.

Les premiers résultats de l'expérience Muon g-2 au Laboratoire Fermi ont confirmé la découverte d'une nouvelle force de la nature. Cette expérience impressionnante fonctionne à moins de 450 degrés Fahrenheit et étudie la précession (ou l'oscillation) des muons lorsqu'ils traversent le champ magnétique. (Reidar Hahn / Laboratoire Fermi)

Un étrange muon wobble mène à une nouvelle découverte de la force de la nature

L'expérience qui a donné des résultats potentiellement bouleversants et l'idée d'une nouvelle force de la nature impliquait des particules subatomiques connues sous le nom de muons.

Un muon est une particule chargée négativement avec un profil similaire à un électron (les deux sont classés comme des leptons). Mais la masse du muon est 200 fois supérieure à celle de son cousin éthéré l'électron. Dans la nature, les muons sont produits par des interactions à haute énergie impliquant des particules de matière, y compris celles qui se produisent lorsque les molécules de la haute atmosphère terrestre sont bombardées par des rayons cosmiques.

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Puisqu'ils peuvent également être créés de manière fiable à l'intérieur de puissants accélérateurs de particules, les muons constituent des «sujets» expérimentaux idéaux pour les physiciens qui étudient la nature de la réalité et ceux qui recherchent de nouvelles forces de la nature. Très souvent, les projets de physique des hautes énergies sont conçus pour rechercher ou produire des anomalies, qui nécessitent ensuite des modifications ou des ajouts aux lois ou principes scientifiques connus.

Dans l'expérience Fermilab Muon-2, des muons ont été accélérés autour d'un anneau de 14 mètres, avant d'être passés à travers un champ magnétique. Les muons traversant un tel champ devraient osciller à une certaine vitesse, conformément aux prédictions dérivées des interactions conventionnelles à quatre forces (calculées avec les effets de l'électromagnétisme, de la gravité, de la force nucléaire faible et de la force nucléaire forte.) Mais l'expérience des muons suggère une cinquième force de la nature.

À la surprise et au plaisir des physiciens du Laboratoire Fermi, les mesures des muons dans cette expérience ont montré qu'ils vacillaient plus rapidement que prévu. Cela signifie qu'une autre force de la nature doit avoir été à l'œuvre qui a eu un impact sur les taux d'oscillation des muons. Par conséquent, dans cet environnement expérimental, une nouvelle force de la nature non détectée auparavant serait le moyen le plus logique d'expliquer l'incohérence de l'oscillation du muon.

Selon les calculs actuels, il y a une chance sur 40 000 que ce résultat soit un hasard statistique. Bien que cela puisse sembler impressionnant, les scientifiques sont prudents à l'égard de ces questions, et la coutume est de ne pas classer une nouvelle découverte comme une véritable découverte jusqu'à ce que la chance d'une coïncidence puisse être réduite à seulement une sur 3,5 millions.

Plus de données sont nécessaires pour parvenir à une conclusion définitive. Mais une source bien informée déborde d'optimisme. "Mon sens Spidey me picote et me dit que cela va être réel", s'est exclamé Ben Allanach, professeur de physique théorique à l'Université de Cambridge qui n'était pas directement impliqué dans l'expérience. « J'ai cherché toute ma carrière des forces et des particules au-delà de ce que nous connaissons déjà, et c'est tout. C'est le moment que j'attendais et je ne dors pas beaucoup parce que je suis trop excité.

Ce n'est que récemment que le Grand collisionneur de hadrons du CERN a produit ses propres résultats d'oscillation des muons, qui étaient les mêmes que ceux mesurés par le Laboratoire Fermi. ( CC BY 2.0 )

Les anomalies du muon du CERN ajoutent de l'huile sur le feu

Il y a moins de trois semaines, les physiciens affectés au Grand collisionneur de hadrons du CERN ont publié leur propre annonce affirmant l'existence possible d'une cinquième force subatomique, qui a également été influencée par les résultats d'une expérience impliquant des muons.

Dans ce cas, ce sont des incohérences inexplicables dans les taux de désintégration des quarks qui ont suscité l'enthousiasme. Les quarks sont les éléments constitutifs fondamentaux des particules telles que les protons et les neutrons, et dans certaines circonstances, ils peuvent se désintégrer en leptons chargés négativement (électrons et muons).

Dans le modèle standard de la physique quantique, tous les quarks qui subissent ce type de désintégration devraient produire un nombre égal d'électrons et de muons. Mais un nouveau quark découvert par des scientifiques du CERN en 2014, connu sous le nom de quark beauté, semblait produire moins de muons que prévu lors de sa surveillance.

En 2019, des scientifiques du CERN travaillant au Large Hadron Collider ont développé des protocoles expérimentaux qui pourraient prouver définitivement si cette anomalie était réelle ou non. Après plus d'un an à se pencher sur les résultats, les scientifiques ont finalement présenté leurs résultats au public le mois dernier.

Confirmant leur découverte initiale, ils ont découvert que les quarks de beauté dans la désintégration produisaient plus d'électrons que les muons à un taux de 100 à 85. Ce détournement des prédictions du modèle standard ne peut pas être expliqué par les lois connues de la physique, ce qui a conduit les experts du CERN à conclure qu'une autre force inconnue de la nature modifiait le comportement des quarks de beauté.

"Cette force serait extrêmement faible, c'est pourquoi nous n'en avons vu aucun signe jusqu'à présent, et interagirait différemment avec les électrons et les muons", ont déclaré les scientifiques impliqués dans l'expérience aux intervieweurs du podcast The Conversation Weekly.

Les chercheurs du CERN pensent qu'une particule fondamentale théorique appelée « Z prime » pourrait être responsable des résultats qu'ils ont mesurés. Cette entité fantomatique serait responsable de la transmission de la nouvelle force entre des particules de matière plus conventionnelles, de manière auparavant non détectée et inattendue.

Particules en collision à haute énergie. ( GiroScience / Adobe Stock)

La course est lancée et la science ne sera peut-être plus jamais la même

Avec des changements révolutionnaires dans notre compréhension de la physique à l'horizon, les expérimentateurs des laboratoires de haute énergie du monde entier chercheront à se joindre à l'action.

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"La course est vraiment lancée pour essayer d'obtenir l'une de ces expériences pour vraiment obtenir la preuve qu'il s'agit vraiment de quelque chose de nouveau", a déclaré le Dr Mitesh Patel, un physicien de l'Imperial College de Londres qui a participé à l'expérience Large Hadron Collider. "Cela prendra plus de données et plus de mesures et, espérons-le, montrera la preuve que ces effets sont réels."

Bien qu'un travail important reste à faire, il ne faudra probablement pas longtemps pour que les recherches pertinentes commencent, dans plusieurs endroits. Si en effet les lois de la physique sont sur le point de changer, ce changement peut se produire dans un avenir très proche.


Une nouvelle physique au Grand collisionneur de hadrons ? Les scientifiques sont enthousiastes, mais il est trop tôt pour en être sûr

Crédit : CERN

La semaine dernière, les physiciens du Large Hadron Collider en Suisse ont annoncé qu'ils force ont découvert une toute nouvelle force de la nature. Ou, pour être précis, ils ont dévoilé "de nouveaux résultats qui, s'ils étaient confirmés, suggéreraient des indices d'une violation du modèle standard de la physique des particules".

Qu'est-ce que ça veut dire? Et pourquoi en font-ils autant d'importance, tout en s'abstenant de revendiquer une nouvelle découverte ?

Les réponses résident dans la façon dont les physiciens des particules pensent les preuves et les résultats, et ce que cela signifierait de trouver « une violation du modèle standard ».

Le modèle standard, conçu entre les années 1950 et 1970, a énormément réussi à expliquer le comportement des particules subatomiques et trois des quatre forces fondamentales que nous connaissons. Les physiciens du CERN pensent avoir trouvé une situation que le modèle standard ne peut expliquer : là où le modèle prédit qu'une particule appelée quark de beauté devrait se désintégrer en d'autres particules appelées muons et électrons à peu près à la même vitesse, il semble qu'en réalité se désintègre plus souvent en électrons que les muons.

C'est passionnant, car nous savons déjà que le modèle standard ne raconte pas toute l'histoire de ce qui se passe dans l'univers. C'est très bon pour nous parler de la matière et de l'énergie. Mais il ne rend pas compte de la soi-disant matière noire et des scientifiques de l'énergie noire qui, selon les scientifiques, doivent exister pour expliquer le comportement à grande échelle des étoiles et des galaxies.

Le modèle standard est également extrêmement difficile à concilier avec notre meilleure explication de la gravité, la théorie de la relativité générale d'Einstein. Le modèle standard est au mieux une étape sur la voie d'une théorie complète de tout.

Pour aller au-delà du modèle standard, nous avons besoin de nouvelles données empiriques. Ce dont nous avons vraiment besoin, ce sont des preuves montrant que certaines prédictions du modèle standard sont fausses, mais pas une prédiction si centrale à la théorie que nous devons reconstruire à partir de zéro.

C'est pourquoi la désintégration des quarks de beauté est si intéressante. Le comportement inattendu indique un domaine où la théorie pourrait être modifiée sans avoir à repartir de zéro.

La raison pour laquelle les scientifiques sont prudents quant au résultat est qu'il s'agit de ce qu'on appelle une découverte 3-sigma.

Pour vous expliquer, imaginons que vous cherchiez des fées au fond de votre jardin. Vous commencez par supposer qu'il n'y a pas de fées - c'est ce qu'on appelle votre hypothèse nulle.

Vous rassemblez alors quelques observations cherchant à rejeter cette hypothèse. Après avoir analysé vos données, vous constatez qu'il y a 90 % de probabilité que si il n'y avait pas de fées dans le jardin, vous feriez des observations comme celles que vous avez faites en fait.

Cela vous donne ce qu'on appelle un valeur p. Une probabilité de 90 % d'observer les données que vous avez effectivement observées si votre hypothèse nulle était vraie est la même qu'une valeur p de 0,9.

Fondamentalement, vous avez découvert que vous n'avez pas de bonne raison de rejeter l'hypothèse que votre jardin est sans fées. C'est ne pas la même chose que de découvrir une raison de croire que votre hypothèse nulle est vraie.

La valeur p est la probabilité de la preuve, compte tenu de votre hypothèse nulle, qui est distincte de la probabilité que l'hypothèse nulle soit vraie, compte tenu de votre preuve. (Au cas où cela vous semblerait étrange, considérez que la probabilité que quelqu'un soit drôle étant donné qu'il est papa est ne pas la même que la probabilité que quelqu'un soit votre père étant donné qu'il est drôle).

Les valeurs Sigma telles que le résultat "3-sigma" correspondent aux valeurs p. Au LHC, l'hypothèse nulle est l'affirmation selon laquelle le modèle standard est correct et les observations portent sur des interactions de particules.

Un résultat 3-sigma signifie qu'il y a une probabilité d'environ 1 sur 1 000 que des observations au moins aussi extrêmes que celles recueillies se produiraient, étant donné le modèle standard. C'est nettement mieux que votre quête pour trouver des fées et semble remettre en question le modèle standard.

La désintégration d'un méson de beauté impliquant un électron et un positron, observée dans l'expérience LHCb. Crédit : CERN

Les physiciens n'ouvrent généralement pas le champagne avant d'avoir 5-sigma résultat.

Un résultat de 5 sigma vous indique qu'il y aurait une chance de moins d'une observation sur un million si le modèle standard était correct. C'est comme si vous vous promeniez dans votre jardin et que vous bavardiez avec un petit être ailé : votre hypothèse "pas de fées" commence à sembler assez bancale.

Pourquoi les physiciens recherchent-ils un événement 5-sigma ? Il y a plusieurs raisons. Le premier est historique : ils ont déjà été piqués. En 2011, des physiciens ont affirmé avoir mesuré les neutrinos voyageant plus vite que la vitesse de la lumière. Cette mesure dépassait 3-sigma, mais elle s'est avérée être due à un câble défectueux.

Le physicien Tommaso Dorigo a tenu un journal des événements mesurés qui ont atteint ou dépassé la signification de 3 sigma. Il note 6 réclamations antérieures qui ont été retirées par la suite.

Une autre raison de prudence est le problème des comparaisons multiples. Si vous effectuez suffisamment de tests, vous verrez forcément quelque chose d'étrange.

Supposons que vous lancez une pièce 100 fois et obtenez 50 faces et 50 faces. Supposons maintenant que vous répétiez l'expérience 100 fois (en retournant la pièce 10 000 fois au total).

Dans certaines versions de l'expérience, vous pourriez voir 20 faces et 80 faces. Dans certains, vous voyez 10 têtes et 90 queues. Les deux distributions sont peu probables, en supposant que la pièce est équitable.

Avez-vous donc la preuve que la pièce est injuste? Cela semble douteux. Même une pièce de monnaie équitable donnera parfois des résultats déséquilibrés.

Le LHC est comme une machine à lancer des pièces. Il mène constamment des expériences. Pour corriger cela, les physiciens exigent le très haut standard 5-sigma. Un résultat 3-sigma est remarquable, mais pas encore une "découverte".

Enfin, il y a l'adage selon lequel les allégations extraordinaires nécessitent des preuves extraordinaires. Le modèle standard est extrêmement bien confirmé. Il faudra une observation extrêmement frappante (comme l'observation d'un événement qui serait très improbable si le modèle standard était vrai) pour réduire la confiance dans le modèle.

Le LHC est une expérience extraordinairement complexe, et beaucoup de choses peuvent mal tourner avec elle. Cela rend difficile le contrôle des erreurs systématiques.

Ainsi, même atteindre le niveau 5 sigma en soi pourrait ne pas suffire à confirmer une nouvelle découverte. En effet, trois des six résultats retirés documentés par Dorigo ont atteint le niveau encore plus élevé 6-sigma niveau.

Pour confirmer une découverte, idéalement, les résultats doivent être répliqués en utilisant une configuration expérimentale différente (une qui ne risque pas de reproduire également les mêmes erreurs), de préférence plus d'une fois. C'est pourquoi les physiciens du CERN espèrent que leurs résultats seront reproduits par l'expérience Belle au Japon.

L'annonce du CERN peut donc sembler un peu prématurée. Mais le journal de Dorigo donne des raisons d'être optimiste. Il souligne que tous les résultats retirés des expériences sur les accélérateurs de particules ont atteint des niveaux de signification qui sont des nombres pairs (4 ou 6-sigma), alors que les découvertes authentiques ont atteint des niveaux qui sont des nombres impairs (3 ou 5-sigma).

Dorigo suggère que nous devrions prendre très au sérieux les observations avec des valeurs sigma impaires. Il fait une blague. Mais derrière la blague se cache une observation sociologique : les physiciens n'ont pas tendance à publier des résultats 3-sigma à moins d'être convaincus qu'ils conduiront à une découverte. Les physiciens du CERN croient clairement qu'ils sont sur quelque chose, et nous devrions en faire autant.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent rapporter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d'informations sur ScienceX Dialog et comment y participer.


Une nouvelle force de la nature a peut-être été trouvée qui réécrirait les lois de la physique

La façon dont nous comprenons l'univers pourrait être changée à jamais après que les particules subatomiques aient semblé contourner les règles de la physique dans deux expériences révolutionnaires.

Les physiciens disent que les résultats ont été « alléchants » et qu'ils ont peut-être trouvé des signes d'une cinquième force de la nature.

Jusqu'à présent, quatre forces fondamentales ont été utilisées pour expliquer tout ce qui se passe dans l'univers.

La gravité fait tomber les objets au sol, l'électromagnétisme traite de la force entre deux particules chargées électriquement, une force forte lie les particules subatomiques ensemble et une force faible peut les séparer.

Mais les physiciens ont été déconcertés et ravis lorsque de minuscules particules appelées muons ne se sont pas comportées comme prévu dans deux expériences différentes de longue durée aux États-Unis et en Europe.

S'ils s'avèrent exacts, les résultats pourraient révéler des problèmes majeurs avec le livre de règles utilisé par les scientifiques pour expliquer comment l'univers fonctionne à un niveau subatomique.

Lors d'une conférence de presse, le co-scientifique en chef de l'expérience Fermilab, Chris Polly, a déclaré: «Nous pensons que nous pourrions nager dans une mer de particules de fond tout le temps qui n'ont tout simplement pas été directement découvertes.

"Il pourrait y avoir des monstres que nous n'avons pas encore imaginés qui émergent du vide en interaction avec nos muons et cela nous donne une fenêtre pour les voir."

Le livre de règles actuel, appelé le modèle standard, a été développé il y a environ 50 ans et a été soutenu par des décennies d'expériences.

Mais après que les scientifiques ont envoyé des particules de muons, qui sont similaires aux électrons, à travers un électro-aimant de 15 tonnes pour observer comment elles « vacillent », elles se sont avérées être à 0,1% du modèle.

Cela peut sembler peu, mais pour les physiciens des particules, c'est énorme – plus que suffisant pour bouleverser les connaissances actuelles.

Cela suggère qu'ils pourraient interagir avec des particules ou des forces non découvertes. Comme ces particules se forment naturellement lorsque les rayons cosmiques frappent l'atmosphère terrestre, ces découvertes pourraient changer complètement la façon dont nous pensons que l'univers fonctionne.

Le Science and Technology Facilities Council (STFC) du Royaume-Uni a déclaré que le résultat "fournit des preuves solides de l'existence d'une particule subatomique non découverte ou d'une nouvelle force".

Alexey Petrov, physicien des particules de la Wayne State University, a déclaré: «De nouvelles particules, une nouvelle physique pourraient être juste au-delà de nos recherches. C'est alléchant.

Le physicien anglais des particules, le professeur Brian Cox, a qualifié le résultat d’« important et passionnant ».

Il a tweeté: "Il se rapproche de la découverte d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard - de nouvelles particules fondamentales en gros", a-t-il tweeté.

"Ce serait la plus grande découverte en physique des particules depuis de nombreuses années - certainement là-haut avec le boson de Higgs."

Hier, le Fermilab du département américain de l'Énergie a annoncé les résultats de 8,2 milliards de courses le long d'une piste magnétisée à l'extérieur de Chicago.

Le but de la piste était de maintenir les particules en existence suffisamment longtemps pour que les chercheurs puissent les examiner de plus près.

Il y a encore une chance sur 40 000 que le comportement mystérieux des muons soit une erreur statistique.

Mais s'ils étaient confirmés, les résultats seraient la plus grande découverte dans le monde des particules subatomiques en près de 10 ans, depuis la découverte du boson de Higgs, souvent appelé la « particule de Dieu ».

Il fait suite aux résultats publiés le mois dernier par le Grand collisionneur de hadrons du Centre européen de recherche nucléaire qui ont trouvé une proportion surprenante de particules à la suite de collisions à grande vitesse.

Le but des expériences est de séparer les particules et de découvrir s'il se passe "quelque chose d'amusant" avec elles et l'espace qu'elles occupent, explique le physicien théoricien de l'Université Johns Hopkins, David Kaplan.

Il a ajouté: «Les secrets ne vivent pas seulement dans la matière. Ils vivent dans quelque chose qui semble remplir tout l'espace et le temps. Ce sont des champs quantiques.

"Nous mettons de l'énergie dans le vide et voyons ce qui en sort."

Les deux ensembles de résultats impliquent la particule étrange et fugace appelée le muon - le cousin le plus lourd de l'électron qui orbite autour du centre d'un atome.

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Mais le muon ne fait pas partie de l'atome, il est instable et n'existe normalement que pendant deux microsecondes.

Après sa découverte dans les rayons cosmiques en 1936, cela a tellement déconcerté les scientifiques qu'un célèbre physicien a demandé « qui a commandé cela ? »

"Depuis le tout début, les physiciens se creusaient la tête", a déclaré Graziano Venanzoni, physicien expérimental dans un laboratoire national italien, qui est l'un des meilleurs scientifiques de l'expérience américaine Fermilab, appelée Muon g-2.

Les chercheurs ont besoin d'un an ou deux pour finir d'analyser les résultats de tous les tours autour des 50 pieds. Si les résultats ne changent pas, cela comptera comme une découverte majeure, a déclaré M. Venanzoni.

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Muons : des preuves solides trouvées pour une nouvelle force de la nature

Toutes les forces que nous subissons quotidiennement peuvent être réduites à quatre catégories seulement : la gravité, l'électromagnétisme, la force forte et la force faible.

Maintenant, les physiciens disent qu'ils ont trouvé des signes possibles d'une cinquième force fondamentale de la nature.

Les résultats proviennent de recherches menées dans un laboratoire près de Chicago.

Les quatre forces fondamentales régissent la façon dont tous les objets et particules de l'Univers interagissent les uns avec les autres.

Par exemple, la gravité fait tomber les objets au sol et les objets lourds se comportent comme s'ils étaient collés au sol.

Le Science and Technology Facilities Council (STFC) du Royaume-Uni a déclaré que le résultat "fournit des preuves solides de l'existence d'une particule subatomique non découverte ou d'une nouvelle force".

Mais les résultats de l'expérience Muon g-2 ne constituent pas encore une découverte concluante.

Il y a actuellement une chance sur 40 000 que le résultat puisse être un coup de chance statistique - ce qui équivaut à un niveau de confiance statistique décrit comme 4,1 sigma.

Un niveau de 5 sigma, ou une chance sur 3,5 millions que l'observation soit une coïncidence, est nécessaire pour revendiquer une découverte.

Le professeur Mark Lancaster, qui dirige l'expérience au Royaume-Uni, a déclaré à BBC News : "Nous avons découvert que l'interaction des muons n'est pas en accord avec le modèle standard [la théorie actuelle largement acceptée pour expliquer le comportement des éléments constitutifs de l'univers] ."

Le chercheur de l'Université de Manchester a ajouté : « Clairement, c'est très excitant car cela indique potentiellement un avenir avec de nouvelles lois de la physique, de nouvelles particules et une nouvelle force que nous n'avons pas encore vues. »

Cette découverte est la dernière d'une série de résultats prometteurs issus d'expériences de physique des particules aux États-Unis, au Japon et, plus récemment, du Grand collisionneur de hadrons à la frontière franco-suisse.

Le professeur Ben Allanach, de l'Université de Cambridge, qui n'était pas impliqué dans le dernier effort, a déclaré: "Mon sens Spidey me picote et me dit que cela va être réel.

"J'ai cherché toute ma carrière des forces et des particules au-delà de ce que nous savons déjà, et c'est tout. C'est le moment que j'attendais et je ne dors pas beaucoup parce que je suis trop excité.

L'expérience, basée au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) à Batavia, dans l'Illinois, recherche des signes de nouveaux phénomènes physiques en étudiant le comportement de particules subatomiques appelées muons.

Il y a des éléments constitutifs de notre monde qui sont encore plus petits que l'atome. Certaines de ces particules subatomiques sont constituées de constituants encore plus petits, tandis que d'autres ne peuvent être décomposées en quoi que ce soit d'autre (particules fondamentales).

Le muon est l'une de ces particules fondamentales, il est similaire à l'électron, mais plus de 200 fois plus lourd.

L'expérience Muon g-2 consiste à envoyer les particules autour d'un anneau de 14 mètres puis à appliquer un champ magnétique. Selon les lois actuelles de la physique, codées dans le modèle standard, cela devrait faire osciller les muons à un certain rythme.

Au lieu de cela, les scientifiques ont découvert que les muons oscillaient plus rapidement que prévu. Cela pourrait être causé par une force de la nature qui est complètement nouvelle pour la science.

Personne ne sait encore ce que fait cette nouvelle force potentielle, si ce n'est d'influencer les particules de muons.

Les physiciens théoriques pensent qu'il pourrait également être associé à une particule subatomique encore inconnue. Il y a plus d'un concept pour ce que cette particule hypothétique pourrait être. L'un est appelé leptoquark, l'autre est le boson Z' (boson Z-prime).

Le mois dernier, des physiciens travaillant à l'expérience LHCb au Large Hadron Collider ont décrit des résultats qui pourraient indiquer une nouvelle particule et une nouvelle force.

Le Dr Mitesh Patel, de l'Imperial College de Londres, qui a participé à ce projet, a déclaré: "La course est vraiment lancée pour essayer d'obtenir l'une de ces expériences pour vraiment obtenir la preuve qu'il s'agit vraiment de quelque chose de nouveau. Cela prendra plus de données et plus de mesures et, espérons-le, montrera la preuve que ces effets sont réels. »

Le professeur Allanach a donné différents noms à la cinquième force possible dans ses modèles théoriques. Parmi eux se trouvent la "force de la saveur", la "troisième famille hyperforce" et - le plus prosaïque de tous - "B moins L2".

En plus des forces plus familières de la gravité et de l'électromagnétisme (responsables de l'électricité et du magnétisme), les forces fortes et faibles régissent le comportement des particules subatomiques.

Une cinquième force fondamentale pourrait aider à expliquer certaines des grandes énigmes sur l'Univers qui ont exercé les scientifiques au cours des dernières décennies.

Par exemple, l'observation que l'expansion de l'Univers s'accélérait a été attribuée à un phénomène mystérieux connu sous le nom d'énergie noire. Mais certains chercheurs ont déjà suggéré que cela pourrait être la preuve d'une cinquième force.

Le Dr Maggie Aderin-Pocock, co-présentatrice de l'émission Sky at Night de la BBC, a déclaré à BBC News : " C'est assez ahurissant. Il a le potentiel de bouleverser la physique. Nous avons un certain nombre de mystères qui restent non résolus. Et cela pourrait nous donner les réponses clés pour résoudre ces mystères."


Une nouvelle force de la nature a-t-elle été découverte ?

Il y a eu des articles dramatiques dans les médias suggérant qu'un prix Nobel a essentiellement déjà été décerné pour la découverte étonnante d'une "cinquième force". Je pensais que je ferais mieux de jeter de l'eau froide sur ce feu, c'est bien. pour qu'il couve, mais nous ne devrions pas le laisser surchauffer.

Il pourrait certainement y avoir des forces encore inconnues qui attendent d'être découvertes - des dizaines d'entre elles, peut-être. Jusqu'à présent, il existe quatre forces bien étudiées : la gravité, l'électricité/le magnétisme, la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. De plus, les scientifiques sont déjà pleinement confiants il y a une cinquième force, prédit mais pas encore mesuré, qui est généré par le champ de Higgs. Donc, l'histoire actuelle serait vraiment à propos d'un sixièmeObliger.

En gros, toute nouvelle force vient avec au moins une nouvelle particule. C'est parce que

  • toute force provient d'un type de champ (par exemple, la force électrique vient du champ électromagnétique, et la force de Higgs prédite vient du champ de Higgs)
  • et les ondulations dans ce type de champ sont un type de particule (par exemple, une ondulation minimale dans le champ électromagnétique est un photon — une particule de lumière — et une ondulation minimale dans le champ de Higgs est la particule connue sous le nom de boson de Higgs.)

L'excitation actuelle, telle qu'elle est, survient parce que quelqu'un prétend avoir preuve d'une nouvelle particule, dont les propriétés impliqueraient qu'une force auparavant inconnue existe dans la nature. La force elle-même n'a pas été recherchée, encore moins découverte.

La nouvelle particule, si elle existe vraiment, aurait une masse au repos environ 34 fois plus grande que celle d'un électron - environ 1/50ème de la masse au repos d'un proton. En termes techniques, cela signifie que son énergie E = mc² est d'environ 17 millions d'électrons-volts (MeV), et c'est pourquoi les physiciens l'appellent le X17. Mais la question est de savoir si les deux expériences qui en trouvent la preuve sont correctes.

Dans la première expérience, dont les résultats sont apparus en 2015, une équipe expérimentale principalement basée à Debrecen, en Hongrie, a étudié un grand nombre de noyaux d'atomes de béryllium-8, qui avaient été portés à un état « excité » (c'est-à-dire avec plus d'énergie que d'habitude). Un noyau excité se désintègre inévitablement et les expérimentateurs ont étudié les débris. En de rares occasions, ils ont observé des électrons et des positons [a.k.a. anti-électrons], et ceux-ci se sont comportés d'une manière surprenante, comme s'ils étaient produits lors de la désintégration d'une particule inconnue auparavant.

Dans l'expérience récemment rapportée, dont les résultats viennent de paraître, la même équipe a observé la désintégration de noyaux excités d'hélium. Ils ont à nouveau trouvé des preuves de ce qu'ils espèrent être le X17, et revendiquent donc la confirmation de leurs expériences originales sur le béryllium.

Lorsque deux expériences qualitativement différentes prétendent la même chose, elles sont moins susceptibles d'être fausses, car il est peu probable que des erreurs dans les deux expériences créent de fausses preuves du même type. À première vue, il semble peu probable que les deux des mesures, effectuées sur deux noyaux différents, pourraient simuler une particule X17.

Cependant, nous devons rester prudents, car les deux expériences ont été réalisées par les mêmes scientifiques. Eux, bien sûr, espèrent leur prix Nobel (que, si leurs expériences sont correctes, ils gagneront sûrement) et il est possible qu'ils souffrent de préjugés inconscients. Il est très courant que des scientifiques individuels voient ce qu'ils veulent voir que les scientifiques sont humains, et des biais cachés peuvent égarer même les meilleurs scientifiques. Ce n'est que collectivement, à travers le processus de vérification, de reproduction et d'utilisation mutuelle du travail, que les scientifiques créent des connaissances fiables.

Il est donc prudent d'attendre les efforts d'autres groupes d'expérimentateurs pour rechercher cette particule X17 proposée. Si le X17 est observé par d'autres expériences, alors nous deviendrons confiants qu'il est réel. Mais nous ne le saurons probablement pas jusque-là. Je ne sais pas actuellement si l'attente sera de plusieurs mois ou de quelques années.

Pourquoi je suis si sceptique ? Il y a deux raisons distinctes.

Premièrement, il y a un problème conceptuel et mathématique. Il n'est pas facile de construire des équations raisonnables qui permettent au X17 de coexister avec tous les types connus de particules élémentaires. Qu'il ait une masse plus petite qu'un proton n'est pas un problème en soi. Mais le X17 doit avoir des propriétés uniques et étranges pour (1) être vu dans ces expériences, mais (2) ne pas être vu dans certaines autres expériences précédentes, dont certaines recherchaient explicitement quelque chose de similaire. Faire des équations qui sont cohérentes avec ces propriétés nécessite une ruse compliquée et pas tout à fait plausible. Est-ce impossible? Non. Mais un certain nombre de méthodes suggérées par les scientifiques étaient imparfaites, et celles qui restent sont, à mes yeux, un peu artificielles.

Bien sûr, la physique est une science expérimentale, et ce que pensent les théoriciens comme moi n'a pas, en fin de compte, d'importance. If the experiments are confirmed, theorists will accept the facts and try to understand why something that seems so strange might be true. But we’ve learned an enormous amount from mathematical thinking about nature in the last century — for instance, it was math that told us that the Higgs particle couldn’t be heavier than 1000 protons, and it was on the basis of that `advice’ that the Large Hadron Collider was built to look for it (and it found it, in 2012.) Similar math led to the discoveries of the W and Z particles roughly where they were expected. So when the math tells you the X17 story doesn’t look good, it’s not reason enough for giving up, but it is reason for some pessimism.

Second, there are many cautionary tales in experimental physics. For instance, back in 2003 there were claims of evidence of a particle called a pentaquark with a rest mass about 1.6 times a proton’s mass — an exotic particle, made from quarks and gluons, that’s both like and unlike a proton. Its existence was confirmed by multiple experimental groups! Others, however, didn’t see it. It took several years for the community to come to the conclusion that this pentaquark, which looked quite promising initially, did not in fact exist.

The point is that mistakes do get made in particle hunts, sometimes in multiple experiments, and it can take some time to track them down. It’s far too early to talk about Nobel Prizes.

[Note that the Higgs boson’s discovery was accepted more quickly than most. It was discovered simultaneously by two distinct experiments using two methods each, and confirmed by additional methods and in larger data sets soon thereafter. Furthermore, there were already straightforward equations that happily accommodated it, so it was much more plausible than the X17.]

And just for fun, here’s a third reason I’m skeptical. It has to do with the number 17. I mean, come on, guys, seriously — 17 million electron volts? This just isn’t auspicious. Back when I was a student, in the late 1980s and early 90s, there was a set of experiments, by a well-regarded experimentalist, which showed considerable evidence for an additional neutrino with a E=mc² energy of 17 thousand electron volts. Other experiments tried to find it, but couldn’t. Yet no one could find a mistake in the experimenter’s apparatus or technique, and he had good arguments that the competing experiments had their own problems. Well, after several years, the original experimenter discovered that there was a piece of his equipment which unexpectedly could absorb about 17 keV of energy, faking a neutrino signal. It was a very subtle problem, and most people didn’t fault him since no one else had thought of it either. But that was the end of the 17 keV neutrino, and with it went hundreds of research papers by both experimental and theoretical physicists, along with one scientist’s dreams of a place in history.

In short, history is cruel to most scientists who claim important discoveries, and teaches us to be skeptical and patient. If there is a fifth sixth force, we’ll know within a few years. Don’t expect to be sure anytime soon. The knowledge cycle in science runs much, much slower than the twittery news cycle, and that’s no accident if you want to avoid serious errors that could confuse you for a long time to come, don’t rush to judgment.


A Physics Breakthrough: More Evidence of New Particles or Forces

New results from a massive experiment double down on indicating undiscovered influences on particles called muons

There are still-undiscovered particles or unknown forces swirling all around us, suggest new results from a massive experiment conducted at the US Department of Energy’s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Illinois. The findings were analyzed with the help of more than 200 scientists from 35 institutions in seven countries, including physicists from Boston University.

The experiment’s results appear to indicate the presence of something mysterious beyond the current reaches of science. It’s a breakthrough moment for physics, a field that has spent decades developing increasingly sensitive detectors and technologies to investigate the unseen particles and forces that make up our material world and beings.

“Over the last 50 years, our understanding of the subatomic world has become really amazing,” says BU physicist Lee Roberts, cofounder of the experiment and a coauthor on the analysis of the Fermilab results. “We’ve managed since the 1970s to put a lot of things together, theoretically, that explain magnetic interactions and forces that govern our physical world—but there are a number of questions we still don’t understand.”

BU physicist Lee Roberts. Photo courtesy of Roberts

This new finding, he says, “reveals that there must be something else beyond what we currently know.”

The Fermilab experiment, called Muon g-2, detected particles called muons behaving slightly differently than currently accepted physics theories—known altogether as the Standard Model of physics—would predict. That slight deviation indicates that other particles or forces not accounted for by the Standard Model are influencing the muon particles. But what? Those mysterious forces could perhaps be from undiscovered types of particles that are changing the muon’s magnetic strength.

Muons are a good candidate for helping physicists study the subatomic world because they can be easily detected and measured using today’s technological capabilities. They are naturally created when cosmic rays traveling from the sun, other planets, and the universe beyond our solar system reach and interact with Earth’s atmosphere. These particles are about 200 times heavier than electrons.

“Muons are heavier siblings to the electron, and they have an electric charge,” says Roberts, a BU College of Arts & Sciences professor of physics. Like electrons, muons spin. “Because they have an electric charge and are spinning around, they generate a magnetic field—they act like tiny spinning magnets.” That spin is key to scientists’ being able to detect their behavior and what other particles and forces are influencing muons.

Particles approaching the speed of light

At Fermilab, a huge donut-shaped machine—embedded with electronics and circuitry custom-built by Roberts and other BU physicists—uses strong magnetic fields to trap the muons in a magnetic racetrack as the particles travel around at incredibly high speeds, almost at the speed of light. Inside the machine, protons are smashed into a metal target, mimicking the collision that happens when cosmic rays hit Earth’s atmosphere. Le résultat? Millions of muons are produced every second.

As those muons spin around the donut-shaped racetrack, they wobble as if on an internal axis, like a top or gyroscope. The strength of the muons’ magnetic field, which physicists call the “g-factor,” determines how much it wobbles. The g-factor is influenced by the muon’s interactions with the sea of subatomic particles that naturally exist all around it—a constantly changing “foam” of short-lived particles. Inside the donut at Fermilab, high-precision detectors allow physicists to measure the muon g-factor, which is what led them to discover that there must be a new type of particle or force swirling around the muons in the foam, changing their g-factor from what the Standard Model of physics would expect.

In its first year of operation, in 2018, the Fermilab experiment collected more data than all prior muon g-factor experiments combined. The Fermilab experimental results are especially exciting because they confirm similar findings that were made at Brookhaven National Laboratory (BNL) in 2001. “In 2001, when it looked like we were seeing evidence of new physics at Brookhaven, it was in newspapers all around the world. There was so much interest in the findings,” Roberts says.

Breakthroughs of this magnitude, much like the construction of the gigantic machines that make them possible, take time. The Large Hadron Collider at CERN in Geneva, Switzerland, had been searching for signs of new particles or forces since it started operating in 2008. In 2012, CERN made history when it detected the Higgs boson (nicknamed the “God particle”) for the first time.

Now, the United States is having its own aha moment.

“The Fermilab result agrees with the BNL result,” Roberts says. Combined, the BNL and Fermilab experiments indicate that the chance of the results being a statistical fluctuation is about 1 in 40,000. That means it’s statistically very likely that undiscovered particles or forces are jostling the spinning muons, influencing their magnetic strength and the amount of wobble they show. When the BNL result was the only one of its kind, doubt still lingered. Now, it’s been reproduced at Fermilab with even more precise measurements.

“Today is an extraordinary day, long awaited not only by us but by the whole international physics community,” Graziano Venanzoni said in a Fermilab press release. Venanzoni is co-spokesperson of the Muon g-2 experiment and a physicist at the National Institute for Nuclear Physics in Italy. “A large amount of credit goes to our young researchers who, with their talent, ideas and enthusiasm, have allowed us to achieve this incredible result.”

Long Island Sound to the Mississippi River to Fermilab

To do the Fermilab experiment, the donut-shaped machine first had to get there from BNL. In 2013, it traveled by boat from BNL’s Long Island location, around the Florida peninsula, and up the Mississippi River, where it finally joined up with Illinois’ waterways. Then, a series of interstate highway shutdowns allowed an oversized truck to slowly transport the machine to the Fermilab location.

At Fermilab, electronics and circuitry developed at BU’s Electronics Design Facility (EDF) and Scientific Instrument Facility were an integral part of the experiment.

“BU’s Electronics Design Facility can build custom equipment when we need it—and we needed a special controller for the system that keeps the beam of muons stored in the racetrack,” Roberts says. Another set of custom electronics from BU, developed by BU Adjunct Professor of Physics James Mott and the EDF team, sits inside the machine’s donut-shaped storage ring, measuring the signals that the muons give off as they speed around the vacuum-sealed ring.

For the Brookhaven experiment, Roberts says, BU performed about $600,000 of machining to create custom parts and electronics. Those contributions then made their way to Fermilab onboard the racetrack, and the BU team also helped modify the machine’s vacuum chambers to set up the new experiment at Fermilab. In addition to Roberts and Mott, other members of the BU team included CAS Professors of Physics Robert Carey and James Miller, postdoctoral research associates Nam Tran and Andy Edmonds, and graduate student Nick Kinnaird.

“Physics is interested in understanding the fundamental, underlying laws of nature, the forces and interactions between matter,” Roberts says. “It explains atoms, chemistry, how solids or condensed matter works. Understanding physics allows us to develop new materials and new devices, and the exploration of physics requires us to advance our technological capabilities. To make these measurements, we’re designing new technologies, and we require computers with increasingly enormous amounts of computational power.”

Detectors developed by physicists, for example, are now used to perform MRI and PET scanning, types of medical scans that allows clinicians to see inside the human body.

Data analysis on the second and third runs of the experiment is underway. The fourth run is ongoing, and a fifth run is planned. Combining the results from all five runs at Fermilab will give scientists an even more precise measurement of the muon’s wobble, revealing with greater certainty whether new physics is hiding within the particle foam that swirls around muons.

Fermilab scientist Chris Polly, who was a lead graduate student on the Brookhaven experiment in 2001, says the latest breakthrough makes all the patience and time that was necessary worthwhile.

“After the 20 years that have passed since the Brookhaven experiment ended, it is so gratifying to finally be resolving this mystery,” Polly says.


Scientists may have discovered a new force of nature?

Sigh, how I hate media. No, the everydays physics will not change at all. We will extend our description and understanding of minute details. Birds will still fly, cars will still drive, TVs will be still using the same old physics to transmit the same old dang.

There's an extant thread somewhere, in high energy.

I do not like this take. The BBC is not writing for scientists, they are writing for people with only casual interest in Physics who would be completely turned off by an article littered with technicalities.

The titles tend to be a bit clickbait, sure, but at the end of the day if you want to make the average person excited about science then popular expositions play an important role. Silly example: when I called my mum earlier and she asked about the headline, I'm not going to turn around and say "Pffft, you fool! That's not réel physics!" I'm more just happy that she wanted to take an interest in a subject I'm passionate about.

So I say, sensationalise all you want (within reason ). It's just a bit of fun!

A fifth fundamental force would be pretty significant, if true.

In their defense, Einsteins' relativity and then quantum mechanics both "turned physics on its head" - even for (especially for) the layperson. It overturned how we see our universe.

New force, new physics? maybe not. A group known as the "Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration" has recomputed the magnetic moment and reduced the discrepancy between theory and experiment to 1.6 σ.

Indeed, if a group of theorists going by the name of the Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration is correct, there may be no disparity between experiment and theory at all. In a new study in La nature, it shows how lattice-QCD simulations can boost the contribution of known virtual hadrons so that the predicted value of the muon’s anomalous moment gets much closer to the experimental ones. Collaboration member Zoltan Fodor of Pennsylvania State University in the US says that the disparity between the group’s calculation and the newly combined experimental result stands at just 1.6σ.

There is a risk that it undermines the public perception of established science. If fundamental physics can be "turned on its head", then why not the science of climate change, epidemiology, vaccinations and even the geological evidence against creationism?

The politically astute thing to do would be to play down the impact of new discoveries to established theories (which is often the technical reality in any case), and emphasise that this is something new that extends our knowledge - in this case, something to add to the standard model, rather than something that renders it obsolete.

Maybe, but consider: some citizens will benefit more from science news than others.

Even if 90% of the public are merely passive readers, but 10% are actively interested, it might still be advantageous to target the `10%.

Interested citizens get involved, get educated, invest, donate, pursue careers and join science forums - in the sciences.

(Ultimately, the 10% won't be led astray by clickbait articles, since their self-education will innoculate them from low quality information.)

Je ne sais pas. But if it's a force of nature, it's probably in some way related to Chuck Norris.

There is a risk that it undermines the public perception of established science. If fundamental physics can be "turned on its head", then why not the science of climate change, epidemiology, vaccinations and even the geological evidence against creationism?

The politically astute thing to do would be to play down the impact of new discoveries to established theories (which is often the technical reality in any case), and emphasise that this is something new that extends our knowledge - in this case, something to add to the standard model, rather than something that renders it obsolete.

This does make sense. I often have read articles that have illegitimately caused loss of faith in a theory.

But then there is a loss of credibility when dogma is defended for the sake of keeping the masses faithfull.

Covid has been an extreme lesson on this, with many authorities having been constantly defending their old and now known to be wrong ideas: asymptomatic, masks, mutations, airborne, etc.

What makes me trust science is when there is an openness about uncertainty, a quickness to acknowledge mistakes.

Neil says science is right whether or not you believe in it. I don't agree with that or that we should tell the masses that for example.

I have been reading articles in other journals to the same effect since a few days.
It does not seem to me fair to blame the journalists for what people are finding wrong – scientists seem to be feeding them, see the quotes.

I had been meaning to ask here just what is there about this experiment that a disagreement between its results and a theoretical calculation is necessarily some totally fundamental change of physics. (Also I'd always heard the Standard Model described as a useful thing to be going on with, even a bit ramshackle, is that right? not something perfect that it would be shocking to modify).

If both theoretical prediction and measurements are robust then every deviation is revolutionary and will change fundamental physics a lot. We had a single clear deviation from the SM in the last decades - neutrino masses.

We already have a discussion here
There are two theory predictions, one agrees with the experiment. It's very likely that the other prediction is just incorrect. We already know that at least one of them must be off, and it's probably not the one that agrees with experiment.

A fifth fundamental force would be pretty significant, if true.

In their defense, Einsteins' relativity and then quantum mechanics both "turned physics on its head" - even for (especially for) the layperson. It overturned how we see our universe.

Suppose that there really is a 4.2 sigma discrepancy and the BMW calculation is wrong.

One thing we can say with certainty is that a measurement that is 4.2 sigma from a theory prediction for muon g-2 does not tell us "what" is causing the discrepancy.

It only tells us "how big" the discrepancy is, and even then, only partially. A discrepancy could be due to a tiny tweak to something central to calculating muon g-2, or it could be a huge tweak to something that only makes a small contribution to the overall result, or it could be something in between, or a bit of all of those explanations.

But, since the calculation of muon g-2 receives contributions from all three Standard Model forces and most of the Standard Model fundamental particles (in addition to any new physics contributions), it is a very global measure of the consistency of the Standard Model with experiment.

Lots of plausible explanations wouldn't involve a "fifth force", just one or more new particles. For example, while no one is proposing this particular explanation of the muon g-2 anomaly, as proof of concept, if there were a fourth generation of Standard Model fermions (t', b', tau', tau neutrino'), this would change the value of muon g-2 a little, without changing any of the forces of the Standard Model.

To give a more "real" example, one of the big differences between the prediction that says there is a 4.2 sigma distinction between experiment and prediction, and the one that says that there is only a 1.6 sigma distinction, is that the second prediction treats up and down quarks as having different masses, while the first one uses only the average mass of the up and down quarks. This slight tweak in the assumed masses of two Standard Model quarks makes a quite significant impact on the predicted discrepancy between theory and experiment, even though both the up quark and down quark masses are tiny (about 2.5% and 5% respectively, of the muon mass).

Also, keep in mind that the discrepancy, even if it is highly statistically significant, is still tiny. It is on the order of 2 parts per billion.

The same can be said of other anomalies that are out there.

For example, there are several kinds of decays of B mesons (composite particles with a valence quark and anti-quark, one of which is a b quark or anti-b quark) which seem to produce decays that generate more electrons than muons for reasons beyond those attributable to their mass differences even though in the Standard Model, this shouldn't happen. This isn't seen in any other kind of decay process.

But guess what. There are almost no processes of engineering importance, or importance in the post-Big Bang natural world, even in extreme circumstances like the inner structure of neutron stars and supernova, in which the ratio of lepton flavors produced in B meson decays play an important part. It is intellectually interesting and could even lead to a tweak of the Standard Model, but it is not important in any practical sense. Nobody even predicted that b-quarks existed until 1973 and no one in the entire history of life on Earth had knowingly observed one until 1977. B mesons are so ephemeral that they have a mean lifetime on the order of a trillionth of a second, and have only ever been produced in the lab in a handful high energy particle colliders.

So, while there may be a crack or two in the Standard Model that doesn't yet have a full explanation, it is still an incredibly precise and accurate description of the real world, and the cracks that are present are either tiny, or in highly exotic phenomena produced only in the most rarified laboratory conditions.


Hi from spain!

I'm so interested in exoplanets, interstellar travel and extraterrestrial intelligence. I hope to learn a lot.

Me llama cuando me necesita

That is about all I can remember about high school Spanish. lol.

Welcome to the ATS nuthouse! Please remember to leave the place better off than when you found it!

De puta madre. Esto es pra ti.

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Particle Physics Experiments Reinforce Evidence of New Force of Nature - History

It’s long been accepted by physics that everything in the Universe is controlled by just four fundamental forces: gravity, electromagnetic, and strong and weak nuclear forces. However, according to some Hungarian physicists, there may be a fifth force of nature, which could be vital evidence to understanding dark matter.

Attila Krasznahorkay and his group at the Hungarian Academy of Sciences’s Institute for Nuclear Research in Debrecen, Hungary, initially published their new discovery last year on the arXiv preprint server. Their findings were published in January 2016 in the journal Physical Review Letters.

Protons were aimed at lithium-7, a collision that created unstable beryllium-8 nuclei, which then decayed into pairs of electrons and positrons. At about 140 degrees, the number of these pairs increased, creating a little bump before dropping off again at higher angles.
According to Krasznahorkay and his team, this ‘bump’ was evidence of a new particle. They calculated that the mass of this new particle would be around 17 megaelectronvolts (MeV), which isn’t what was expected for the ‘dark photon’, but could be evidence of something else entirely. The end result was a new boson particle that was only 34 times heavier than an electron.

“We are very confident about our experimental results,” Krasznahorkay told Nature. However, the report was largely overlooked. Then, on April 25, a group of US theoretical physicists brought the finding to wider attention by publishing its own analysis of the result on arXiv2.

The US team, led by the lead author of the arXiv report, Jonathan Feng from the University of California, Irvine, showed that the data didn’t conflict with previous experiments, and established that it could be evidence for a fifth fundamental force. “We brought it out from relative obscurity,” says Feng.

The physics world is now buzzing with the possibility of an undiscovered fundamental force. Rumours about this elusive fifth force has existed for years, partly motivated by the incapability of the standard model of particle physics to explain dark matter—a hypothetical form of matter that comprises a huge portion of the mass and energy in the observable universe. Dark matter can feel gravity but not electromagnetism, which is why we cannot see or touch it, since our sight, touch, and most of our science experiments detect stuff using the electromagnetic force.

The physicists who conducted the original experiment are confident about what they have discovered. Nature News article reports that other physicists seem doubtful, but are excited about the about the experimental results. Physicists are now thinking about different ways to scrutinize this intriguing finding. Researchers at the Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Newport News, Virginia, CERN, and other labs are trying to see if they can reconstruct the Hungarian team’s results in their own experiments. They are expected to confirm or invalidate the Hungarian experimental results in about a year.


This fifth force may explain some big Universe mysteries

A fifth fundamental force might help explain some of the big puzzles about the Universe that have exercised scientists in recent decades.

For example, the observation that the expansion of the Universe was speeding up was attributed to a mysterious phenomenon known as dark energy. But some researchers have previously suggested it could be evidence of a fifth force.

Dr Maggie Aderin-Pocock, co-presenter of the BBC’s Sky at Night programme said: “It is quite mind boggling. It has the potential to turn physics on its head. We have a number of mysteries that remain unsolved. And this could give us the key answers to solve these mysteries.” [BBC]

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