Магнетизм мюонов: тайна частиц становится все глубже

Возможность закрыть брешь в понимании физиками фундаментальных частиц и сил теперь выглядит более реальной. Новые измерения подтверждают, что мимолетная субатомная частица, называемая мюоном, может быть немного более магнитной, чем предсказывала теория. Об этом сообщила в первую неделю апреля команда из более чем 200 физиков. Эта небольшая аномалия — всего 2,5 части на 1 миллиард — является долгожданной угрозой преобладающей теории физиков элементарных частиц, стандартной модели, которая уже давно объясняет почти все, что они видели в разрушителях атомов, и заставляет их тосковать по чему-то новому, над чем можно было бы ломать голову.

«С 1970-х годов мы искали трещину в стандартной модели, — говорит Алексей Петров, теоретик из Государственного университета Уэйна (Детройт). – И это может быть она». Но Салли Доусон, теоретик из Брукхейвенской национальной лаборатории, отмечает, что результат все еще не окончательный: «Это ничего не значит для нашего понимания физики, кроме как то, что нам нужно немного подождать, чтобы увидеть, реально ли это».

На протяжении десятилетий физики измеряли магнетизм мюона, более тяжелого и нестабильного родственника электрона, который ведет себя как крошечный стержневой магнит. Они помещают мюоны в вертикальное магнитное поле, которое заставляет их вращаться горизонтально, как маленькие стрелки компаса. Частота, с которой вращаются мюоны, показывает, насколько они магнитны, что в принципе может указывать на новые частицы, даже слишком массивные, чтобы их можно было использовать в таком разрушителе атомов, как Большой адронный коллайдер в Европе.

Это потому, что из-за квантовой неопределенности мюон находится в дымке из других частиц и античастиц, которые то появляются, то исчезают. Эти «виртуальные» частицы нельзя наблюдать напрямую, но они могут влиять на свойства мюона. Квантовая механика и специальная теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывают, что мюон должен обладать определенным базовым магнитным моментом. Частицы известной стандартной модели, порхающие вокруг мюона, увеличивают этот магнетизм примерно на 0,1%. А неизвестные частицы, скрывающиеся в вакууме, могут добавить еще один, непредсказуемый прирост изменений.

В 2001 году исследователи, проводившие эксперимент Muon g-2 в Брукхейвене, сообщили, что мюон был ощутимо более магнитным, чем предсказывает стандартная модель. Расхождение только примерно в 2,5 раза превышало совокупную теоретическую и экспериментальную погрешности. Это далеко не стандарт для заявлений физиков об открытии: в пять раз больше общей неопределенности. Но это был дразнящий намек на новые частицы, которые были им недоступны. 

Поэтому в 2013 году исследователи доставили эксперимент в Национальную ускорительную лабораторию Ферми (Fermilab) в Иллинойсе, где они могли получить более чистые пучки мюонов. К тому времени, когда обновленный эксперимент начал собирать данные в 2018 году, предсказания стандартной модели магнетизма мюона улучшились, и разница между экспериментальными результатами и теорией увеличилась до 3,7 раз общей неопределенности.

Теперь команда g-2 опубликовала первый результат обновленного эксперимента, используя данные за год. И новый результат почти полностью совпадает со старым, о чем команда объявила 7 апреля на симпозиуме в Фермилабе. Согласие показывает, что старый результат не был ни статистической случайностью, ни продуктом какой-то необнаруженной ошибки в эксперименте, — говорит Крис Полли, физик из Fermilab и со-спикер команды g-2. — Поскольку я был аспирантом, участвовавшим в эксперименте в Брукхейвене, это, безусловно, принесло мне огромное облегчение».

Вместе новые и старые результаты увеличивают несогласие с предсказанием стандартной модели до 4,2 раза экспериментальных и теоретических ошибок. Этого все еще недостаточно, чтобы претендовать на определенное открытие. Но в области, где подобные намеки на новую физику приходят и уходят, магнитный момент мюона остается почти исключительной загадкой, говорит Грэм Крибс, теоретик из Орегонского университета: «Нет ничего особенного, из-за чего все сообщество говорило бы: мы также должны иметь дело с этим».

Вся команда g-2 разделила момент истины, когда 25 февраля экспериментаторы впервые представили себе новый результат. Эксперимент включает в себя измерение скорости вращения мюонов с исключительной точностью. И чтобы не дать себе подсознательно довести измерение до значения, которое они предпочитают, экспериментаторы основывались на метрономе с секретной частотой, известной только двоим людям, не входящим в коллаборацию. Только в самом конце анализа они открыли конверты с секретной частотой — на встрече Zoom из-за ограничений COVID-19. «Определенно была атмосфера крайнего напряжения», — говорит Ханна Бинни, аспирантка и член команды Вашингтонского университета в Сиэтле. По ее словам, в течение нескольких секунд исследователи использовали секретную частоту, чтобы выяснить, соответствует ли новый результат старому.

По словам Петрова, немедленная реакция на новый результат будет двоякой. Во-первых, после подтверждения экспериментального значения физики, вероятно, снова поставят под сомнение теоретическую оценку. Начиная с 2017 года, более 130 теоретиков собрались на серии семинаров, чтобы выработать консенсусное значение для предсказания стандартной модели, которое они опубликовали в ноябре 2020 года. Но Петров говорит, что расчет представляет собой сложную «мешанину», в которой используются различные методы — включая экстраполяцию результатов коллайдера — для учета различных типов частиц стандартной модели, порхающих в вакууме и из него. По словам Петрова, теоретики теперь удвоят свои усилия, чтобы подтвердить значение консенсуса и разработать вычислительные методы, которые позволят им вычислить его из первых принципов.

И, конечно же, другие начнут придумывать новые теории, которые выходят за рамки стандартной модели и объясняют дополнительный магнетизм мюона. «Это будет особенный день для теоретиков», — прогнозирует Петров. Их размышления могут быть несколько преждевременными, поскольку экспериментаторы g-2 все еще собирают данные и надеются снизить экспериментальную неопределенность на 75% в течение нескольких лет. Так что несоответствие могло исчезнуть. Но если мюон действительно сигнализирует о наличии чего-то нового, многие теоретики захотят начать.

Автор Адриан Чо, журнал Science


Больше на Granite of science

Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.

Добавить комментарий

Больше на Granite of science

Оформите подписку, чтобы продолжить чтение и получить доступ к полному архиву.

Читать дальше