Необычные свойства элементарных частиц свидетельствуют о новых фундаментальных законах

Новости МирТесен

Эксперимент Muon g-2 позволил определить аномальный магнитный момент мюонов, показав его несоответствие теоретически рассчитанному значению. Данное расхождение указывает на возможность существования частиц или взаимодействий, не включенных в Стандартную модель квантовой механики.

В целом, стандартная модель квантовой механики демонстрирует высокую точность при описании свойств фундаментальных составляющих материи. Тем не менее, далеко не всегда, что может свидетельствовать о неполноте теории и указывать на наличие более глубокой и фундаментальной «новой физики». К таким аномалиям относится расхождение прецессии мюонов с наиболее точными расчетами. Физики, работающие в коллаборации Muon g-2, определили это отклонение с высокой степенью точности, что подтверждает его существование и потенциальную связь с воздействием пока неизвестных частиц. Об этом ученые сообщают в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Мюоны представляют собой базовые частицы, аналогичные электронам по своей природе, но обладающие значительно большей массой – приблизительно в 200 раз больше, и меньшей стабильностью. Они также характеризуются отрицательным электрическим зарядом и полуцелым спином (1/2), что обуславливает наличие у них магнитного момента. Под воздействием внешнего магнитного поля мюоны отклоняются и совершают колебательные движения (прецессию) – подобно миниатюрным гироскопам. Частота этой прецессии зависит от массы частицы, её заряда и g-Фактора — коэффициента, определяющего соотношение между магнитным моментом и механическим моментом.

В пустоте, где непрерывно возникают и исчезают виртуальных частиц, их взаимодействие оказывает влияние на магнитный момент мюонов, что приводит к изменению величины g-Фактора. Существующая квантовомеханическая модель позволяет учесть вклад всех известных частиц при расчете g-Фактора с высокой точностью. Тем не менее, экспериментальные данные по прецессии мюонов незначительно отличаются от теоретических прогнозов. Это несоответствие получило название аномального магнитного момента мюонов, и предполагается, что оно может свидетельствовать о наличии еще не открытых крупных элементарных частиц или новых типах взаимодействий.

Таким образом, наиболее точное измеренное значение аномального магнитного момента мюонов, полученное в 2020 году, составляет 0,00116591810. В то же время эксперименты, проведенные в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL), показалиопределили значение в 0,00116592080. Новые измерения аномального магнитного момента осуществили ученые из Fermilab. Интересно отметить, что для этой цели они задействовали магнитное накопительное кольцо Брукхейвена, которое несколько лет назад было перебазировано в новую лабораторию и подключено к ускорительному комплексу Fermilab с целью точного определения аномального магнитного момента мюонов.

В ходе эксперимента Muon g-2 поток мюонов был направлен внутрь магнитного кольца. В условиях глубокого вакуума частицы перемещались со скоростью, приближающейся к скорости света, в то время как специалисты фиксировали их вращение. Более двухсот экспертов из семи государств приняли участие в проекте, и за 2018 год было получено свыше восьми миллиардов измерений. Обработка данных и статистический анализ потребовали почти двух лет времени, а результаты были опубликованы только сейчас. Объединив предыдущие данные с новыми результатами, g-Фактор мюонов составил 2,00233184122, а величина аномального магнитного момента – 0,00116592061.

Величина, вычисленная путем объединения данных измерений BNL и Fermilab, имеет стандартное отклонениестатистическую значимость в четыре целых два десятых сигма. Вероятность того, что это возникло из-за случайных колебаний, составляет менее одного шанса из сорока тысяч. Однако отклонение постепенно увеличивается до пяти сигма — порога достоверности в физике элементарных частиц, который дает основания для объявления открытия. Специалисты полагают, что вскоре этот уровень будет достигнут.

По имеющимся сведениям, обработка информации, которую должен собрать эксперимент Muon g-2, завершена лишь примерно на шести процентах. Продолжается анализ данных второго и третьего запусков системы, одновременно с этим проводятся измерения четвертого запуска. «Первые полученные результаты демонстрируют интригующее расхождение с предсказаниями Стандартной модели, — говоритзаявил один из участников проекта Крис Полли (Chris Polly), — но в течение ближайших двух лет нас ждут значимые открытия».