Мимолетная субатомная частица может выявить недостатки одной из основных физических теорий

Уточненное измерение субатомных мюонов имеет серьезные последствия - если фундаментальные теории верны.

Отредактировано 2023-18-08
Кольцеобразный механизм Национальной ускорительной лаборатории имени ФермиНациональная ускорительная лаборатория имени Ферми Министерства энергетики США, расположенная недалеко от Чикаго.

Один из самых больших вопросов в физике частиц - не дает ли сама эта область неполную картину Вселенной. В Фермилабе, расположенном в пригороде Чикаго и принадлежащем Министерству энергетики США, физики частиц пытаются разрешить этот кризис идентичности. Там члены коллаборации Muon g-2 (произносится как "g минус 2") тщательно измеряют необычную частицу, известную как мюон. На прошлой неделе они опубликовали обновленные результаты: мюон - более тяжелый и эфемерный аналог электрона - может находиться под влиянием чего-то неизвестного.

Если это так, то это признак того, что теории, лежащие в основе современной физики частиц, не раскрывают всей истории. Так ли это? Пока ученые коллаборации изучали мюоны, исследователи-теоретики проводили переоценку их количества, оставляя сомнения в том, существует ли такая ошибка.

"В любом случае есть что-то непонятное, и это необходимо решить", - говорит Ян Бейли, физик частиц из Ланкастерского университета (Великобритания) и член коллаборации Muon g-2.

В соответствии с проверенными основными законами современной физики частиц, которые ученые называют Стандартной моделью, мюон считается одним из фундаментальных элементов нашей Вселенной. Мюоны, как и электроны, являются субатомными частицами, несущими отрицательный электрический заряд; в отличие от электронов, мюоны распадаются через несколько миллионных долей секунды. Тем не менее, ученые легко сталкиваются с мюонами в природе. В верхних слоях атмосферы Земли выпадает мюонный дождь, порожденный высокоэнергетическими космическими лучами, падающими на нашу планету.

Но если мюон выглядит не всегда так, как ожидают физики, то это признак того, что Стандартная модель неполна и в дело вступает какая-то доселе неизвестная физика. "Оказалось, что мюон обладает большей чувствительностью к существованию новой физики, чем... электрон, - говорит Бейли.

Как и электроны, мюоны вращаются подобно вихревым вершинам, что создает магнитное поле. Титр g определяет скорость вращения. В отдельности g мюона имеет значение 2. В действительности мюоны не существуют в изоляции. Даже в вакууме мюоны преследуются толпами короткоживущих "виртуальных частиц", которые то появляются, то исчезают из квантового существования, влияя на спин мюона.

Стандартная модель должна учитывать и эти частицы. Однако в 2000-х годах ученые Брукхейвенской национальной лаборатории измерили g и обнаружили, что оно незначительно, но существенно превышает предсказания Стандартной модели. Возможно, брукхейвенские ученые ошиблись, а возможно, мюон находится во власти частиц или сил, которые Стандартная модель не учитывает.

Нарушение Стандартной модели стало бы одним из крупнейших моментов в истории физики частиц, а физики частиц не относятся к таким нарушениям легкомысленно. Брукхейвенские ученые перенесли свой эксперимент в Фермилаб (штат Иллинойс), где они могли воспользоваться более мощным ускорителем частиц для массового производства мюонов. В 2018 году начался эксперимент Muon g-2.

Спустя три года экспериментальная группа опубликовала первые результаты, свидетельствующие о том, что в Брукхейвене не ошиблись и не увидели иллюзию. Результаты, опубликованные на прошлой неделе, добавляют данные двух дополнительных запусков в 2018 и 2019 годах, подтверждая результаты, опубликованные в 2021 году, и повышая их точность. Наблюдаемое значение g - около 2,0023 - расходится с тем, что предсказывает теория после восьмого знака после запятой.

"Мы точно определили истинное значение магнитной аномалии", - говорит Лоренс Гиббонс, физик частиц из Корнельского университета и член коллаборации Muon g-2.

Если бы этот результат был получен несколько лет назад, физики могли бы назвать его окончательным доказательством существования физики за пределами Стандартной модели. Но сегодня все не так однозначно. Мало что в квантовом мире бывает простым, но в этих квантовых работах есть один нюанс: предсказания Стандартной модели сами по себе расплывчаты.

"Изменения происходят с теоретической стороны, - говорит Бейли.

Физики полагают, что "виртуальные частицы", которые тянут мюон за g, делают это с разной силой. Одни частицы тянут за собой электромагнетизм, влияние которого легко просчитать. Другие - с помощью сильных ядерных сил (влияние которых мы замечаем в основном потому, что они удерживают частицы вместе в атомных ядрах). Вычислить влияние сильной ядерной силы кошмарно сложно, и физики-теоретики часто подменяют в своих расчетах данные прошлых экспериментов.

Однако в последнее время некоторые группы теоретиков взяли на вооружение методику, известную как "решеточная квантовая хромодинамика", или решеточная КХД, которая позволяет им пересчитывать числа сильных ядерных сил на компьютерах. Когда ученые подставляют числа решетчатой КХД в свои g-предсказания, они получают результат, который в большей степени соответствует результатам Мюона g-2.

Дополнительную путаницу вносит тот факт, что другой эксперимент с частицами, расположенный в Сибири и известный как CMD-3, дал результат, который также заставляет исчезнуть расхождение в показателях мюонного g-2. "Этот результат действительно вызывает недоумение, - говорит Гиббонс.

Работа над коллаборацией Muon g-2 еще не закончена. В списке дел коллаборации остается обработка в три раза большего объема данных, собранных в период с 2021 по 2023 год. После анализа всех этих данных, который может быть готов к 2025 году, физики считают, что смогут сделать оценку g минус 2 вдвое точнее. Однако пока неясно, позволит ли это уточнение решить проблему, поскольку физики-теоретики спешат обновить свои прогнозы. Вопрос о том, действительно ли мюоны ведут себя неправильно, остается открытым.