Измерения являются наиболее точными, но теоретические предсказания неясны.
Физики из эксперимента Muon g-2 изучили колебания мюонов при их движении внутри магнита в форме пончика (на фото) и провели самое точное измерение магнитного свойства частицы.
Мюоны могут вести себя не так, как ожидается. Но ученые не могут прийти к единому мнению.
Изучив, как субатомные частицы колеблются в магнитном поле, физики с большей точностью, чем когда-либо прежде, определили свойство внутреннего магнита мюона, сообщили исследователи из эксперимента Muon g-2 10 августа на семинаре, организованном Фермилабом в Батавии, штат Иллинойс.
Предыдущие измерения магнетизма мюонов не совпадали с теоретическими предсказаниями. Эти предсказания основаны на одной из наиболее важных и тщательно проверенных научных теорий - стандартной модели физики частиц, которая описывает субатомные частицы и силы, связывающие их.
Многие физики надеялись, что расхождение с мюоном может указывать на недостатки в непоколебимой теории, которая может привести к лучшему пониманию Вселенной. Однако несколько недавних научных сюрпризов запутали теоретическое предсказание силы крошечного магнита мюона, что усложняет понимание того, указывает ли измерение на новую физику или на нерешенную проблему с предсказанием.
Измерения мюонного магнетизма уже давно намекают на неизвестные частицы
Мюоны относятся к тому же семейству частиц, что и электроны, но их масса примерно в 200 раз больше. Эти короткоживущие частицы ведут себя как миниатюрные магниты, каждый из которых обладает собственным магнитным полем. Сила этого магнита регулируется странным эффектом квантовой физики. Пустое пространство заполнено постоянным шквалом частиц, которые появляются на время, а затем исчезают. Известные как "виртуальные" частицы, они обладают вполне реальными эффектами. Эти переходные частицы изменяют силу магнита мюона на величину, которая может быть рассчитана в соответствии со стандартной моделью.
Точное значение этого изменения, называемое аномальным магнитным моментом, или "g-2" в физических уравнениях, ставит физиков в тупик.
Заманчиво то, что неизвестные науке частицы могут изменить значение g-2, которое измеряют ученые. Поэтому предыдущие намеки на несогласие с предсказаниями стандартной модели вызвали бурную реакцию физиков.
"На поведение мюонов, которые мы измеряем, влияют все силы и частицы во Вселенной", - говорит исследователь мюонного g-2 Бринн Маккой, физик из Вашингтонского университета в Сиэтле. "По сути, это дает нам прямое окно в то, как устроена Вселенная".
Первое указание на несоответствие между предсказаниями и измерениями g-2 было получено в ходе эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне (штат Нью-Йорк), проведенного более двух десятилетий назад (SN: 2/15/01). Затем в 2021 г. эксперимент с мюоном g-2, проведенный в Фермилабе, сообщил о своих первых результатах, подтвердивших расхождение (SN: 4/7/21).
Теперь "Мюон g-2" удвоил свою точность в обновленном измерении магнетизма, сообщили исследователи на семинаре в Фермилабе и в статье, опубликованной 10 августа на сайте коллаборации "Мюон g-2".
"Достижение такого уровня точности действительно беспрецедентно и впечатляет", - говорит физик Карлос Вагнер из Чикагского университета, который не принимал участия в эксперименте. "Я просто в восхищении". Новое измерение включает в себя в четыре раза больше данных, чем предыдущее, а также другие усовершенствования, повышающие точность.
Ученые намерены сравнить измеренное значение с предсказанием стандартной модели. Однако определить, что именно предсказывает стандартная модель, довольно сложно.
Вычисление значения g-2 сопряжено с определенными трудностями
В 2020 году группа физиков-теоретиков, получившая название "Инициатива по теории мюонного g-2", после долгих размышлений пришла к консенсусному предсказанию, которое можно было сравнить с результатами измерений. Однако с тех пор появилась новая, противоречивая информация, полученная в результате других экспериментов и теоретических расчетов, о чем подробно говорится в заявлении, опубликованном 9 августа на сайте Инициативы по теории мюона g-2. Эта информация оставила предсказание неопределенным.
"На данный момент невозможно провести сравнение и сказать, согласна или не согласна стандартная модель с экспериментом, - говорит физик-теоретик Том Блюм из Университета Коннектикута в Сторрсе.
Путаница связана с особенно сложным моментом в расчете g-2. Известная как адронная поляризация вакуума, она относится к корректировке, возникающей в результате испускания мюоном виртуального фотона, который расщепляется на кварк и его партнера по антиматерии - антикварк. Кварки - это класс частиц, из которых состоят более крупные частицы, называемые адронами, в том числе протоны и нейтроны. Кварк и антикварк взаимодействуют друг с другом, после чего аннигилируют* обратно в виртуальный фотон.
Ученые предложили два основных способа вычисления адронного члена поляризации вакуума. Традиционный способ предполагает использование определенных экспериментальных данных в качестве исходных для расчета. Эти данные получены в ходе экспериментов по измерению столкновения электронов и их антивещественных частиц - позитронов - с образованием адронов. Считается, что результаты таких экспериментов хорошо изучены.
Однако недавний эксперимент CMD-3, проведенный на коллайдере частиц ВЭПП-2000 в Новосибирске, Россия, не согласуется с результатами других экспериментов, сообщили исследователи в феврале на сайте arXiv.org. Если это единственное отклонение верно, то это говорит о том, что намеки на расхождение мюонных измерений с предсказаниями могут быть слабее, чем считалось ранее.
Второй способ оценки сложного адронного термина поляризации вакуума использует метод, называемый решеточной квантовой хромодинамикой. Этот метод предполагает математическое разбиение пространства на решетки для того, чтобы сделать расчеты более простыми. Только недавно ученым удалось сделать такие расчеты достаточно точными для проведения полезных сравнений.
В 2021 году группа, получившая прозвище "BMW", опубликовала в журнале Nature расчет вклада поляризации адронного вакуума. Эта оценка указывала на более тесную гармонию между предсказанием и измерением g-2 и не соглашалась с подходом, основанным на данных. Но методика требовала подтверждения. С тех пор другие ученые провели собственные расчеты на решетке, чтобы проверить часть результатов BMW. Эти группы получили результаты, сходные с результатами BMW, что повысило доверие к решетчатому методу.
Теперь внимание сместилось с тщательной проверки экспериментальных измерений и вместо этого направлено на анализ разногласий между различными теоретическими методами.
"Эксперимент удался, - говорит физик-теоретик Томас Тевнер из Ливерпульского университета (Англия), член коллаборации Muon g-2. Теперь, по его словам, выяснить, соответствуют ли мюоны стандартной модели или нарушают ее, предстоит физикам-теоретикам. "Мы должны навести порядок в своем доме".
