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
