Natuurkundige van de Universiteit van Washington David Hertzog Ik kan niet wachten om erachter te komen hoe honderden onderzoekers hebben gewerkt aan een nerdproject dat bekend staat als Muon g-2-samenwerking zullen reageren als ze horen dat ze elk duizenden dollars hebben gewonnen voor dat werk.
Het geld komt uit de doorbraakprijs van $3 miljoen in de fundamentele natuurkunde, die vanavond werd uitgereikt tijdens een galaceremonie in Los Angeles. Hertzog en zijn collega’s besloten dat de prijs gelijkelijk verdeeld moest worden onder iedereen die onderzoeksartikelen schreef over de decennialange reeks muon-experimenten.
“Er zijn studenten die hier twee jaar of minder in en uit zaten”, zei Hertzog. “Ze zullen geschokt zijn door iets dat ze lang geleden hebben gedaan en waarvan ze zich niet kunnen herinneren dat ze dat hebben gedaan. Ze krijgen een telefoontje of een e-mail van de Breakthrough People en zeggen: ‘Wat!?’ Het is wel leuk.”
Hertzog zei dat het geld zal worden gedeeld door ongeveer 400 onderzoekers die betrokken waren bij de Muon g-2-experimenten in Fermilab in Illinois en in het Brookhaven National Laboratory in New York. De prijs eert ook de rol die het Europese CERN-onderzoekscentrum al in 1959 speelde. “Er was een heel, heel oude man die nog leefde na de experimenten uit de jaren zeventig, maar ik denk dat hij dood is”, zei Hertzog.
Hoewel de exacte berekening nog niet is uitgewerkt, zou het verdelen van 3 miljoen dollar onder 400 mensen elke ontvanger 7.500 dollar opleveren. “Het is niet iets om mee te gooien als je student of jonge postdoc bent”, zegt Hertzog.
Een groot moment voor de muon
De in Rusland geboren technologie-investeerder Yuri Milner en zijn vrouw Julia Milner hebben in 2012 de Breakthrough Prize ingesteld om prestaties op het gebied van de fundamentele natuurkunde, wiskunde en levenswetenschappen te erkennen. Ze wilden ook wat Hollywood-stijl pit toevoegen aan de publieke perceptie van wetenschappers, zo ver zelfs spreidde een rode loper uit voor beroemdheden bij de ‘Oscars of Science’. De ceremonie werd dit jaar georganiseerd door James Corden en op de gastenlijst stonden Robert Downey Jr., Eileen Gu, Anne Hathaway, Paris Hilton, Salma Hayek Pinault en Michelle Yeoh.
De 3 miljoen dollar De doorbraakprijs is ’s werelds rijkste wetenschappelijke prijs en overtreft de ongeveer 1,2 miljoen dollar die aan Nobelprijswinnaars wordt toegekend. Sinds de oprichting van het prijzenprogramma is er ruim $344 miljoen toegekend. Eerdere winnaars van de Universiteit van Washington omvat natuurkundigen Eric Adelberger, Lukasz Fidkowski, Jens Gundlach en Blayne Heckel, evenals biochemici David Bakker.
De prijs voor fundamentele natuurkunde van dit jaar heeft betrekking op een al lang bestaande poging om experimentele resultaten te verzoenen met een van de meest succesvolle wetenschappelijke theorieën uit de geschiedenis: Standaardmodel van de deeltjesfysica. De theorie biedt een raamwerk voor het classificeren en begrijpen van een menagerie van subatomaire deeltjes, waaronder het muon, dat vergelijkbaar is met het elektron, maar 207 keer zwaarder.
Het standaardmodel voorspelt de verschillende eigenschappen van het muon. Eén zo’n eigenschap is de sterkte en oriëntatie van het magnetische veld van het muon, bekend als zijn magnetisch moment. De eenvoudigste formulering van de theorie vereist dat de waarde van het magnetische moment van het muon, in vergelijkingen weergegeven door de letter g, gelijk moet zijn aan 2.
Er zijn echter maar weinig dingen in de deeltjesfysica die zo eenvoudig zijn. Experimentele tests maten dat de g-factor iets meer dan 2 was, en deze discrepantie werd de focus van de Muon g-2-experimenten (uitgesproken als “mew-on gee-minus-two”).
Als er een bevestigde mismatch zou zijn tussen het standaardmodel en experimentele resultaten, zou dit de deur kunnen openen naar nieuwe natuurkunde. Misschien waren bijvoorbeeld geheel nieuwe reeksen subatomaire deeltjes die niet door de theorie waren voorspeld op de een of andere manier aan directe observatie ontsnapt. Daarom hebben natuurkundigen over de hele wereld hun krachten gebundeld om de waarde van g te bepalen, hetzij om de kloof tussen experiment en theorie te dichten, hetzij om een nieuwe grens in de natuurkunde te verleggen.
In de loop der jaren hebben natuurkundigen steeds nauwkeuriger experimentele experimenten uitgevoerd met behulp van krachtige magneten bij CERN, Brookhaven en Fermilab. Sindsdien is Hertzog op jacht Brookhaven sloot zich aanzo’n 30 jaar geleden, en hij maakte deel uit van het team in 2013 toen de enorme hoofdmagneet van het experiment werd verplaatst van Brookhaven naar Fermilab.
Elke run verkleinde de onzekerheid rond de precieze waarde van g. De kroon op het werk kwam er vandaan Fermilab’s versie van het experiment in 2025.
“We hebben het doel gesteld op 140 delen per miljard, en we hebben 127 delen per miljard gehaald”, zei Hertzog. “Toen we het voorstel schreven, waren we zo ambitieus als we maar konden bedenken, omdat we wilden dat mensen ons accepteerden. Vervolgens hebben we alle systematische fouten weggevaagd, beter dan we hadden verwacht. En toen kwamen er nieuwe bij, waardoor we een beetje moeite hadden.”
Tegelijkertijd worstelden andere natuurkundigen met theoretische modellen. Ze hielden rekening met de altijd zo subtiele effecten van deeltjes die in en uit springen kwantum schuim Aangenomen wordt dat het de structuur van de ruimtetijd op de kleinste schaal vormt. Vorig jaar kwam een van de modellen met een reeks theoretische waarden voor g die overlapten met de reeks experimentele waarden van de Muon g-2 Collaboration.
Dit bracht sommigen ertoe te beweren dat er toch geen sprake was van een discrepantie. “Een beroemd deeltjesfysica-experiment is niet met een knal geëindigd, maar met een gejammer,” Het tijdschrift Science meldde het. Maar ja, er zijn maar weinig dingen in de deeltjesfysica die zo eenvoudig zijn. Hertzog benadrukte dat de berichten over de ondergang van het muon-mysterie enorm overdreven zijn.
“Ik steek mijn handen in de lucht, want na dertig jaar hieraan te hebben gewerkt, is het een beetje teleurstellend dat het niet duidelijk is”, zei hij. “Niet alleen is het aantal dat ze hebben aanbevolen veranderd, maar de zekerheid van hun aantal is veel groter geworden. De onzekerheid over het theorie-aanbeveling is eigenlijk behoorlijk groot. Het is veranderd, maar ook behoorlijk groot.”
Hertzog zei dat de Breakthrough Prize een wetenschappelijke zoektocht erkent die nog steeds gaande is. ‘Dit verhaal is nog niet af’, zei hij. “Het verhaal gaat eigenlijk over de buitengewone prestatie van de precisie van deze delicate meting, die de natuur tot zo’n diep, diepgaand niveau doordringt.”
Zal er ooit een definitief antwoord op het mysterie komen?
“We weten het nog niet, maar het is weten, in plaats van in een grote wolk van dubbelzinnigheid te belanden”, zei Hertzog. “Dus ik denk dat we er over een paar jaar achter zullen komen waar het eindelijk terechtkomt. … Wie weet of het ons naar een nieuw hoofdstuk in deze branche zal leiden. Maar ik ben ervan overtuigd dat we het zullen weten.”
Een grote avond voor doorbraken
De Muon g-2 Collaboration’s Breakthrough Prize werd toegekend aan honderden onderzoekers van 31 instellingen in zeven landen, maar slechts vier teamleden werden geselecteerd om het podium te betreden tijdens de prijsuitreiking vanavond. Hertzog werd vergezeld door Chris Polly van Fermilab, William Morse van Brookhaven en Lee Roberts van Brookhaven en Boston University.
Een speciale levenslange onderscheiding voor fundamentele natuurkunde ging naar David Gross, een theoreticus aan het Kavli Institute of Theoretical Physics aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara. Gross won een deel van 2004 Nobelprijs voor natuurkunde om lacunes in het standaardmodel met betrekking tot de sterke kernkracht op te vullen. Onlangs hielp hij met schrijven een baanbrekend 40-jaren nationaal plan voor deeltjesfysica.
Er werden drie prijzen uitgereikt op het gebied van life sciences:
Frank Merle van het Institut des Hautes Études Scientifiques in Parijs ontving dit jaar de prijs voor wiskunde voor het behalen van doorbraak in niet-lineaire evolutievergelijkingen. Zijn werk zou implicaties kunnen hebben van luchtvaarttechniek en veiligheid tot astrofysica.
Hertzog van zijn kant is niet van plan op zijn lauweren te rusten. Hoewel de Muon g-2-samenwerking ten einde loopt, heeft hij zich bij het team aangesloten een ander deeltjesfysica-experiment genaamd PIONEER. Dit experiment zal discrepanties tussen het standaardmodel en observaties van pionverval onderzoeken. Net als bij de Muon g-2-experimenten bestaat de kans dat PIONEER de weg kan wijzen naar de natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel.
“Dit is een gouden kans voor de aandelenmarkt”, zei Hertzog. “Zo kijk ik ernaar.”
De De website van de Doorbraakprijs haar de volledige lijst met winnaars van dit jaarwaaronder de winnaars van de New Horizons-prijzen voor beginnende natuurkundigen en wiskundigen, de Maryam Mirzakhani New Frontiers-prijzen voor vrouwelijke wiskundigen en de inaugurele Vera Rubin New Frontiers-prijs voor vrouwelijke natuurkundigen. De opgenomen prijsuitreiking wordt op 26 april om 12.00 uur PT uitgezonden via YouTube.
Hertzog en natuurkundige Martin Hoferichter van de Universiteit van Bern bespreken de resultaten van de Muon g-2-experimenten in een voorgedrukt artikel met de titel “Het afwijkende magnetische moment van de muon: status en perspectieven.”
