Natuurkundige David Hertzog van de Universiteit van Washington kan niet wachten om erachter te komen hoe de honderden onderzoekers die werken aan het nerdproject dat bekend staat als Muon g-2-samenwerking zullen reageren als ze horen dat ze elk duizenden dollars hebben gewonnen voor de klus.
Het geld komt uit de Fundamental Physics Breakthrough Prize van dit jaar, die vanavond wordt uitgereikt tijdens een galaceremonie in Los Angeles. Hertzog en zijn collega’s besloten dat de prijs gelijkelijk verdeeld moest worden onder alle auteurs van onderzoeksartikelen over een decennialange reeks muon-experimenten.
“Er zijn studenten die hier in- en uitstappen – twee jaar of minder”, zei Hertzog. “Ze zullen zo geschokt zijn door iets dat ze in het verleden hebben gedaan, maar ze kunnen zich niet herinneren dat ze het hebben gedaan. Ze krijgen een telefoontje of een e-mail van de Breakthrough-mensen en ze zullen zeggen: ‘Wat!?’ Dat is leuk.”
Hertzog zei dat het geld zal worden verdeeld onder ongeveer 400 onderzoekers die betrokken zijn bij 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 onderzoekscentrum van CERN in Europa sinds 1959 heeft gespeeld. “Er was een heel, heel oude man die nog leefde na de experimenten van de jaren zeventig, maar ik denk dat hij dood is”, zei Hertzog.
Hoewel de exacte berekening nog niet bekend is, zou het verdelen van 3 miljoen dollar onder 400 mensen elke ontvanger 7.500 dollar opleveren. “Het heeft geen zin om tijd te verspillen als je student of jonge postdoctoraal onderzoeker bent,” zei Hertzog.
Groot moment voor muonen
De in Rusland geboren technologie-investeerder Yuri Milner en zijn vrouw Julia Milner hebben in 2012 de Breakthrough Prize opgericht om prestaties op het gebied van de fundamentele natuurkunde, wiskunde en levenswetenschappen te erkennen. Ze willen tot op zekere hoogte ook een Hollywood-achtige aantrekkingskracht toevoegen aan de publieke perceptie van wetenschappers rol de rode loper uit voor beroemdheid bij de ‘Oscars of Science’. De line-up van dit jaar bestaat uit Robert Downey Jr., Eileen Gu, Anne Hathaway, Paris Hilton, Salma Hayek Pinault en Michelle Yeoh.
De Breakthrough Prize van $3 miljoen is de rijkste wetenschappelijke onderscheiding ter wereld en overtreft de prijs van $1,2 miljoen die aan Nobelprijswinnaars wordt toegekend. Er is ruim 344 miljoen dollar uitgekeerd sinds het beloningsprogramma in het leven werd geroepen. Vorige winnaar van de Universiteit van Washington waaronder natuurkundigen Eric Adelberger, Lukasz Fidkowski, Jens Gundlach en Blayne Heckel, plus biochemici David Bakker.
De fundamentele natuurkundeprijs van dit jaar heeft betrekking op een al lang bestaande poging om experimentele bevindingen te verzoenen met een van de meest succesvolle wetenschappelijke theorieën in de geschiedenis: theorie Standaardmodel uit de deeltjesfysica. De theorie schetst een raamwerk voor het classificeren en begrijpen van een verzameling subatomaire deeltjes – inclusief muonen, die vergelijkbaar zijn met elektronen, maar 207 keer zwaarder.
Het Standaardmodel voorspelt verschillende eigenschappen van muonen. 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 stelt dat de waarde van het magnetische moment van het muon, in de vergelijking weergegeven door de letter g, gelijk is aan 2.
Er zijn echter maar weinig dingen in de deeltjesfysica die zo eenvoudig zijn. Experimentele tests maten een g-factor van iets meer dan 2, en dat verschil was de focus van de Muon g-2-experimenten (uitgesproken als “mew-on gee-minus-twee”).
Als er een discrepantie bestaat tussen het standaardmodel en experimentele resultaten, zou dit de deur kunnen openen naar nieuwe natuurkunde. Misschien is bijvoorbeeld een nieuwe verzameling subatomaire deeltjes die niet door de theorie werd voorspeld, aan directe observatie ontsnapt. Natuurkundigen over de hele wereld werpen dus hun steentje bij aan het bepalen van de waarde van g, hetzij om de kloof tussen experiment en theorie te dichten, hetzij om nieuwe grenzen in de natuurkunde te bereiken.
In de loop der jaren hebben natuurkundigen steeds verfijndere experimenten uitgevoerd met behulp van krachtige magneten bij CERN, Brookhaven en Fermilab. Hertzog is sindsdien bij deze missie betrokken Brookhaven sluit zich aanongeveer 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.
Elk proces verkleint de onzekerheid rond de exacte waarde van g. Piekprestaties komen voort uit Fermilab-versie van het experiment in 2025.
“We hadden ons een doel gesteld van 140 delen per miljard, en we kwamen uit op 127 delen per miljard”, zei Hertzog. “Toen we het voorstel schreven, waren we erg ambitieus, omdat we wilden dat mensen ons zouden accepteren. Vervolgens hebben we alle systematische fouten geëlimineerd, beter dan we hadden verwacht. En toen verschenen er nieuwe fouten, die ons wat problemen bezorgden.”
Tegelijkertijd worstelden andere natuurkundigen met theoretische modellen. Ze houden rekening met de subtiele effecten van deeltjes die in en uit bewegen kwantum schuim Aangenomen wordt dat dit de structuur van de ruimtetijd op de kleinste schaal vormt. Vorig jaar ontstond er één model met een reeks theoretische waarden voor g die overlapten met het bereik van experimentele waarden voor g-2 van de Muon Collaboration.
Dit heeft ertoe geleid dat sommigen beweren dat er helemaal geen verschil is. ‘Het beroemde deeltjesfysica-experiment eindigde niet met een knal, maar met een gejammer’ Dat meldt het tijdschrift Science. Maar ja, er zijn maar weinig dingen in de deeltjesfysica die zo eenvoudig zijn. Hertzog hield vol dat de berichten over de mysterieuze ondergang van de muon enorm overdreven waren.
“Ik steek gewoon mijn hand op, 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 zij hebben aanbevolen verschoven, maar de zekerheid van hun aantal is groter geworden. De onzekerheid in de theoretische aanbevelingen is eigenlijk behoorlijk groot. Het is verschoven, maar ook behoorlijk groot.”
Hertzog zei dat de Breakthrough Prize een vorm van erkenning was voor lopend wetenschappelijk onderzoek. “Dit verhaal is nog niet af”, zei hij. “Het verhaal gaat eigenlijk over de buitengewone prestatie van de precisie van complexe metingen die de natuur tot op een heel diep niveau doordringen.”
Zal er ooit een definitief antwoord komen op het muonmysterie?
“We weten het nog niet, maar het kan worden ontdekt, in plaats van in een enorme wolk van dubbelzinnigheid terecht te komen”, zei Hertzog. “Dus ik denk dat we over een paar jaar zullen weten waar dit naartoe zal leiden. Wie weet of het ons naar een nieuw hoofdstuk in deze business zal leiden. Maar ik ben er zeker van dat we daar wel achter zullen komen.”
Grote avond voor doorbraken
De Muon g-2 Collaboration Breakthrough Prize werd toegekend aan honderden onderzoekers van 31 instellingen in zeven landen, maar slechts vier teamleden werden geselecteerd om op het podium te verschijnen tijdens de prijsuitreiking vanavond. Hertzog werd vergezeld door Chris Polly van Fermilab, William Morse van Brookhaven en Lee Roberts van Brookhaven en Boston University.
De speciale levenslange prijs voor fundamentele natuurkunde werd toegekend aan David Gross, een theoreticus aan het Kavli Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Californië in Santa Barbara. Gross won een deel van de 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 worden drie prijzen uitgereikt in de levenswetenschappen:
Frank Merle van het Institut des Hautes Études Scientifiques in Parijs ontving dit jaar de wiskundeprijs voor zijn prestaties doorbraak in niet-lineaire evolutionaire vergelijkingen. Zijn werk kan implicaties hebben, variërend van luchtvaarttechniek en veiligheid tot astrofysica.
Ondertussen is Hertzog niet van plan zelfgenoegzaam te zijn. Zelfs toen de Muon g-2 Collaboration ten einde liep, had hij zich bij het team aangesloten een ander deeltjesfysica-experiment genaamd PIONEER. Het experiment zal inconsistenties onderzoeken tussen het standaardmodel en observaties van pionverval. Net als bij het Muon g-2-experiment is het mogelijk dat PIONEER de weg kan wijzen naar de natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel.
“Dit is een gouden kans op de aandelenmarkt”, zei Hertzog. “Zo zie ik het.”
