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.
Квантовая механика с помощью стандартной модели предоставляет точное описание поведения элементарных частиц. Однако ее формулы функционируют 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 — это элементарные частицы, по свойствам напоминающие электроны, однако их масса примерно в 200 раз больше, а стабильность значительно ниже. Как и электроны, мюоны имеют отрицательный заряд и обладают полуцелым (1/2) спином, что обуславливает наличие у них магнитного момента. Под воздействием внешнего магнитного поля они отклоняются и колеблются (прецессируют), подобно миниатюрным гироскопам. Эта прецессия определяется массой частицы, ее зарядом и g-Фактора — коэффициента, характеризующего расхождение между магнитным и механическим моментами частицы.
В вакууме, где непрерывно возникают и исчезают виртуальных частиц, их наличие оказывает воздействие на магнитный момент мюонов, что, в свою очередь, влияет на величину g-Фактора. Стандартная модель квантовой механики позволяет учесть вклад всех известных частиц и рассчитать g-Фактор с высокой степенью точности. Тем не менее, экспериментальные измерения прецессии мюонов незначительно отличаются от теоретических предсказаний. Это расхождение получило название проблемы аномального магнитного момента мюонов, и это может свидетельствовать о наличии ранее не обнаруженных массивных частиц или взаимодействий.
Так, наиболее точное определение аномального магнитного момента мюонов, полученное в 2020 году, составляет 0,00116591810. В то же время эксперименты, проведенные в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL), показали величину в 0,00116592080. Новые измерения аномального магнитного момента провели физики из Fermilab. Любопытно, что для этого они использовали магнитное накопительное кольцо из Брукхейвена, которое несколько лет назад перевезли в новую лабораторию и подсоединили к ускорителю частиц в Fermilab специально для измерения аномального магнитного момента мюонов.
Во время эксперимента Muon g-2 мюоны направлялись через магнитное кольцо. В условиях глубокого вакуума частицы двигались со скоростью, близкой к скорости света, в то время как ученые измеряли их прецессию. Более 200 специалистов из семи стран приняли участие в коллаборации и собрали свыше восьми миллиардов измерений в течение 2018 года. Анализ и статистическая обработка этих данных заняли почти два года, и результаты были опубликованы только сейчас. Согласно новым и предыдущим данным, g-Фактор мюонов равен 2,00233184122, а аномальный магнитный момент – 0,00116592061.
Величина, вычисленная путем объединения данных измерений BNL и Fermilab, имеет стандартное отклонение в 4,2 сигма. Шансы на то, что она является результатом случайных флуктуаций, не превышают одного к сорока тысячам. Тем не менее отклонение уже приближается к пяти сигма — «золотому стандарту» физики элементарных частиц, который позволяет с уверенностью говорить об открытии. Ученые уверены, что уже вскоре они преодолеют эту величину.
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, — говорит один из представителей коллаборации Крис Полли (Chris Polly), — но в ближайшие пару лет мы узнаем массу нового».