Ученые из института ядерной физики СО РАН существенно сократили разницу между теоретическим и экспериментальным значением магнитного момента мюона.
Учёные из Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН измерили вероятность образования пары пионов при столкновении пучков электронов и позитронов. ВЭПП-2000С 2013 по 2020 год было собрано рекордное количество данных, что позволило провести очень детальное измерение. Результат удивил: исследования новосибирских физиков показали, что вероятность рождения пары пионов при столкновении пучков электронов и позитронов куда выше, чем данные, получаемые учеными всего мира последние 60 лет.
Вероятность рождения пионов необходима для определения вклада в аномальный магнитный момент мюона (АМММ). Магнитный момент свидетельствует о силе взаимодействия частицы с магнитным полем. Аномальный магнитный момент возникает вследствие взаимодействия частицы с короткоживущими, не наблюдаемыми, или виртуальными, частицами. Стандартная модель, теория, описывающая физику микромира, предсказывает величину АМММ с высокой точностью. Именно в этом расчёте и применяется вероятность рождения пионов.
Измерения АМММ в последние годы достигли высокой точности, а полученные результаты не совпадают с значением, рассчитанным по Стандартной модели. Новой физики— явлений, которые частицы и силы не описывают Стандартной моделью.
Измерения вероятности рождения пары пионов при электрон-позитронной аннигиляции позволили физикам ИЯФ СО РАН сократить наблюдаемое различие между экспериментальным значением АМММ и предсказанием СМ примерно в четыре раза. Новый результат вместе с подробным описанием эксперимента… опубликован в arxiv.org.
Аномальный магнитный момент есть у любой заряженной частицы. Наибольший интерес представляет его изучение у мюона. Участие мюона в исследованиях оправдано несколькими причинами: физики умеют получать их в большом количестве, а также время жизни мюона достаточно велико — две микросекунды. Частица подобна маленькому магниту и поворачивается в магнитном поле. По углу поворота определяют величину АММ. Короткий срок жизни частиц, таких как тау-лептон, не позволяет точно измерить АММ, так как они успевают повернуться на малый угол до распада. Мюон же совершает десятки полных оборотов за время своего существования. Это позволяет измерить АММ мюона с высокой точностью. Точность измерения АММ электрона ещё выше, приблизительно в 1000 раз, но электрон жив вечно. Преимущество мюона в том, что он в 200 раз тяжелее электрона и его АММ чувствительнее к вкладу тяжелых частиц примерно в 40 тысяч раз. Именно у мюона интереснее всего сравнить величину АММ, измеренную экспериментально, с предсказанием Стандартной модели. Отличие между ними укажет на Новую физику: существование сил и частиц, не учтенных в Стандартной модели, которые влияют на АММ.
Непонятно нам, почему результат наш так сильно отличается от результатов коллег. В результатах мы уверены, проверили всё очень тщательно много раз. Но и предыдущие измерения проводили серьёзные научные группы, проверяя всё скрупулёзно. Нужно выяснить, что именно отличает наши измерения от всех остальных, — сказал Иван Логашенко.
На вопрос корреспондента Naked ScienceВ какой степени эксперимент отвечает на вопрос о существовании Новой физики? Логашенко ответил: «Всё зависит от точности измерений. Чем тяжелее частицы, которые ещё не открыли, тем меньше вклад они вносят в аномальный магнитный момент мюона. Поэтому наша разрешающая способность — до каких энергий мы увидим вклад гипотетических частиц — определяется точностью измерений. С такой точностью, с которой мы измерили, да, отчасти закрывает. Уже можно сказать, что не могут быть частицы легче определённой массы. Но частицы с большой массой могут быть!»
Параметры детектора КМД-3 обеспечили систематическую неопределенность измерения пионного форм-фактора на уровне 0,7 процента. Это позволило обнаружить, что новый форм-фактор немного отличается от пионных форм-факторов, измеренных ранее. Различия в диапазоне от 0,6 до 0,75 гигаэлектронвольта составили всего пять процентов, но это значение важно при оценке влияния рождения пионов на аномальный магнитный момент мюона. При учете нового форм-фактора различие между Стандартной моделью и экспериментом для этой величины сокращается примерно в четыре раза. В связи с этим расчеты магнитного момента в рамках Стандартной модели теперь согласуются с экспериментальными данными.
«Наш последний анализ не даст полного ответа на вопросы изучения АМММ. Требуются дальнейшие эксперименты с повышенной точностью для подтверждения собственных измерений. Необходимы также независимые эксперименты, чтобы проверить полученные результаты. В Японии на Belle II уже собирают данные для измерения вероятности рождения двух пионов в электрон-позитронной аннигиляции. В ИЯФ продолжится работа по повышению точности эксперимента. Думаю, через пять-десять лет у нас появится точное понимание: согласуются наши значения или же расходятся, что свидетельствует о Новой физике», — так прокомментировал это открытие старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Федор Игнатов.