Световые волны, как правило, беспрепятственно проходят сквозь друг друга. Законы электродинамики гласят, что два световых луча могут одновременно находиться в одной точке пространства, не оказывая влияния друг на друга – они просто перекрываются. В связи с этим, световые мечи, как они изображаются в научно-фантастических фильмах, на практике выглядели бы довольно неэффективными.
Несмотря на это, квантовая физика предполагает существование явления «рассеяния света на свете». Для его обнаружения требуется мощность, превышающую возможности обычных лазеров, однако этот эффект был зафиксирован на ускорителе частиц в ЦЕРНе. Согласно теории, виртуальные частицы способны на короткое время возникать из вакуума, взаимодействовать с фотонами и изменять их траекторию. Этот эффект незначителен, однако для проверки теорий физики элементарных частиц с использованием современных высокоточных экспериментов с мюонами крайне важно его точное изучение. Команда из Венского университета смогла показать, получены в результате комплексного исследования, которое показало, что значительное влияние оказывает ранее не учитывавшийся фактор – роль тензорных мезонов опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Взаимодействие фотонов приводит к образованию виртуальных частиц. Эти частицы нельзя наблюдать непосредственно, так как они немедленно аннигилируют. Они существуют одновременно и исчезают, что является примером квантовой суперпозиции – явления, противоречащего классическому пониманию мира.
«Хотя эти виртуальные частицы не поддаются прямому наблюдению, они существенно влияют на другие частицы», — отмечает Йонас Магер, ведущий автор исследования и специалист Института теоретической физики Венского университета. «Для точного расчета поведения реальных частиц необходимо учитывать все возможные виртуальные частицы. Именно это делает задачу сложной, но крайне увлекательной».
При рассеянии света фотон способен претерпеть изменение, например, превратиться в пару электрон-позитрон. Другие фотоны могут взаимодействовать с этими частицами, прежде чем электрон и позитрон аннигилируют, порождая новый фотон. Процесс становится еще сложнее при создании более массивных частиц, которые также участвуют в сильных ядерных взаимодействиях – таких как мезоны, состоящие из кварка и антикварка.
«Разные типы мезонов существуют», — утверждает Йонас Магер. «Мы теперь продемонстрировали, что некоторые из них, тензорные мезоны, ранее были существенно занижены. Благодаря эффекту светорассеяния они воздействуют на магнитные свойства мюонов, что позволяет проверить стандартную модель физики элементарных частиц с беспрецедентной точностью». Тензорные мезоны действительно учитывались в предыдущих расчетах, однако с использованием весьма упрощенных допущений. Новое исследование показало, что их влияние не только значительно больше, но и имеет отличный знак, чем предполагалось ранее, что приводит к противоположному результату.
Результаты исследования разрешили противоречие, которое возникло в прошлом году между последними аналитическими расчетами и альтернативным компьютерным моделированием. По словам Антона Ребхана, традиционные аналитические расчеты позволяют адекватно описать взаимодействия кварков лишь в особых, предельных условиях.
Для анализа команда применила нестандартный подход, основанный на голографической квантовой хромодинамике. Этот метод заключается в отображении процессов, происходящих в четырех измерениях (три пространственных и одно временное), в пространство с гравитацией, имеющее пять измерений.
«Антон Ребхан отмечает, что тензорные мезоны можно представить в виде пятимерных гравитонов, поведение которых точно описывается теорией относительности Эйнштейна. По словам исследователя, текущее компьютерное моделирование и аналитические данные демонстрируют согласованность, но расходятся с ранее существовавшими представлениями. Ученые рассчитывают, что это открытие станет стимулом для более быстрого проведения запланированных экспериментов с тензорными мезонами».
Оценка является ключевым фактором в решении одной из основополагающих задач физики: в какой степени стандартная модель физики элементарных частиц может считаться достоверной? Данная квантовая теория получила широкое признание и служит описанием всех известных типов частиц и сил природы, за исключением гравитации.
Точность стандартной модели можно особенно тщательно проверить в ряде тестовых ситуаций, например, при измерении магнитного момента мюонов. Долгое время ученые пытались понять, свидетельствуют ли определенные расхождения между теоретическими предсказаниями и экспериментальными данными о «новой физике», лежащей за пределами стандартной модели, или же они связаны с неточностями и ошибками. Недавние измерения магнитного момента мюона показали уменьшение расхождений, однако для поиска новой физики требуется максимально точное понимание оставшихся теоретических неопределенностей. Новое исследование направлено на достижение этой цели.
[Фото: (c) TU Wien VIENNA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY]