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 de 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 voor 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 auteur was van onderzoeksartikelen met betrekking tot de decennialange reeks muon-experimenten.
“Er zijn studenten die hier twee jaar of minder in en uit zaten”, zei Hertzog. “Ze zullen uit hun leven geschrokken zijn over iets dat ze lang geleden hebben gedaan en waarvan ze zich niet kunnen herinneren dat ze dat hebben gedaan. Ze krijgen een telefoontje of e-mail van de Breakthrough-mensen en ze zullen zeggen: ‘Wat!?’ Dat is best 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 speelde, al in 1959. “Er was een heel, heel oude man die nog leefde van het experiment uit de jaren zeventig, maar ik denk dat hij overleden is”, zei Hertzog.
Hoewel de precieze berekening nog niet is uitgewerkt, zou het verdelen van 3 miljoen dollar onder 400 mensen elke ontvanger 7.500 dollar opleveren. “Dat is niets 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 gastheer voor de ceremonie dit jaar was 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 Doorbraakprijs is ’s werelds rijkste wetenschappelijke onderscheiding en overtreft de prijs van ongeveer 1,2 miljoen dollar die aan Nobelprijswinnaars wordt toegekend. Sinds de oprichting van het prijzenprogramma is er ruim $344 miljoen uitgedeeld. Eerdere winnaars van de Universiteit van Washington onder meer natuurkundigen Eric Adelberger, Lukasz Fidkowski, Jens Gundlach en Blayne Heckel, plus biochemicus David Bakker.
De prijs voor fundamentele natuurkunde van dit jaar heeft betrekking op een langlopende poging om experimentele bevindingen te verzoenen met een van de meest succesvolle wetenschappelijke theorieën uit de geschiedenis: de Standaardmodel van de deeltjesfysica. De theorie schetst een raamwerk voor het classificeren en begrijpen van een menagerie van subatomaire deeltjes – inclusief 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, weergegeven in vergelijkingen door de letter g, gelijk is 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 die discrepantie werd de focus van de Muon g-2 (uitgesproken als “mew-on gee-minus-twee”) experimenten.
Als er een bevestigde mismatch zou zijn tussen het standaardmodel en experimentele resultaten, zou dat de deur kunnen openen naar nieuwe natuurkunde. Misschien waren bijvoorbeeld hele nieuwe reeksen subatomaire deeltjes die niet door de theorie waren voorspeld op de een of andere manier aan directe observatie ontsnapt. Daarom bundelden natuurkundigen over de hele wereld hun krachten om de waarde van g te bepalen, hetzij om de kloof tussen experiment en theorie op te vullen, hetzij om zich te richten op een nieuwe grens in de natuurkunde.
In de loop der jaren hebben natuurkundigen steeds nauwkeuriger experimentele experimenten uitgevoerd met behulp van krachtige magneten bij CERN, Brookhaven en Fermilab. Hertzog is sindsdien bezig met de zoektocht Brookhaven deed meeongeveer 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 bekroning kwam van Fermilab’s versie van het experiment in 2025.
“We stelden het doel op 140 delen per miljard, en we kwamen op 127 delen per miljard”, zei Hertzog. “Toen we het voorstel schreven, waren we zo ambitieus als we maar konden bedenken, omdat we wilden dat mensen het tegen ons zouden opnemen. 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 de lucht springen kwantum schuim Men denkt dat dit het weefsel 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.
Dat 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’ Dat meldt het tijdschrift Science. Maar nogmaals: weinig dingen in de deeltjesfysica zijn zo eenvoudig. Hertzog benadrukte dat de berichten over de dood van het muon-mysterie enorm overdreven zijn.
“Ik steek gewoon mijn handen in de lucht, want na zo’n 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 verschoven, maar de zekerheid van hun aantal is ook veel groter geworden. De onzekerheid over de theorie-aanbeveling is eigenlijk behoorlijk groot. Het is verschoven, maar het is ook behoorlijk groot.”
Hertzog zei dat de Breakthrough Prize een wetenschappelijke zoektocht erkent die nog steeds aan de gang 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, diep niveau doordringt.”
Zal er ooit een definitief antwoord komen op het muonmysterie?
“We weten het nog niet, maar het is wel kenbaar, in plaats van in een enorme wolk van dubbelzinnigheid terecht te komen”, zei Hertzog. “Dus ik denk dat we er over een paar jaar achter zullen komen waar dat eindelijk terechtkomt…. Wie weet of dat ons naar een nieuw hoofdstuk in deze business zal leiden. Maar ik heb er vertrouwen in 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 voor de prijsuitreiking van vanavond. Hertzog werd vergezeld door Chris Polly van Fermilab, William Morse uit Brookhaven en Lee Roberts van Brookhaven en Boston University.
Een speciale levenslange prijs 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 de 2004 Nobelprijs voor natuurkunde voor het opvullen van lacunes in het standaardmodel met betrekking tot de sterke kernkracht. Meer recentelijk hielp hij met schrijven een baanbrekend 40-jaren nationaal plan voor deeltjesfysica.
In de levenswetenschappen werden drie prijzen uitgereikt:
- Jean Bennett, Katherine High en Albert Maguire van de Universiteit van Pennsylvania werden erkend voor het ontwikkelen van een therapie voor erfelijke netvliesdegeneratie die de standaard werd eerste gentherapie goedgekeurd door de Food and Drug Administration voor een genetische ziekte.
- Een andere prijs ging naar Stuart Orkin, een arts aan de Harvard Medical School en het Boston Children’s Hospital; en aan Swee Lay Thein van het National Heart, Lung and Blood Institute voor het ophelderen van het mechanisme dat de overstap van foetaal naar volwassen hemoglobine aanstuurt en het valideren ervan als een therapeutisch doelwit voor sikkelcelziekte en bèta-thalassemie.
- Rosa Rademakers van de Mayo Clinic en Bryan Traynor van het National Institute on Aging hebben de derde prijs in de levenswetenschappen gewonnen voor hun ontdekkingen de meest voorkomende genetische oorzaak van ALS en frontotemporale dementie.
Frank Merle van het Institut des Hautes Études Scientifiques in Parijs ontving dit jaar de prijs voor wiskunde voor het behalen van doorbraken in niet-lineaire evolutievergelijkingen. Zijn werk zou implicaties kunnen hebben van luchtvaarttechniek en veiligheid tot astrofysica.
Hertzog van zijn kant is niet van plan om op zijn lauweren te rusten. Zelfs nu de Muon g-2 Collaboration ten einde loopt, heeft hij zich bij het team aangesloten een ander deeltjesfysica-experiment genaamd PIONEER. Dat experiment zal de inconsistenties 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 natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel.
“Dit is een gouden kans op de aandelenmarkt”, zei Hertzog. “Zo kijk ik ernaar.”
De Doorbraakprijs website heeft de volledige lijst van de 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.”
