Коллаборация Muon g-2 добилась значительного улучшения точности измерения магнитного момента мюона, определив его с точностью до седьмого знака после запятой. Полученное расхождение между теоретическими выкладками и экспериментальными данными может привести к уточнению или пересмотру Стандартной модели.
Для ученых актуально исследование магнитных моментов элементарных частиц. Магнитный момент электрона измерен с погрешностью в 11 знаков после запятой. В рамках квантовой электродинамики (КЭД) был предсказан экспериментальный результат, и полученное значение оказалось согласовалось с теоретическим расчетом с точностью до 10 знаков.
Мюоны имеют с электронами схожие характеристики — одинаковый заряд и спин, однако их масса в 207 раз превышает массу электрона. При теоретических расчетах магнитного момента мюона необходимо учитывать не только квантовую электродинамику, но и эффекты электрослабого взаимодействия, а также вклады адронов. Благодаря этому мюоны обладают в 43 тысячи раз большей чувствительностью к воздействию потенциальных неизвестных частиц, находящихся за пределами Стандартной модели.
Уточнение характеристик мюонов с помощью более точных измерений может привести к пересмотру Стандартной модели и способствовать развитию теорий струн и суперсимметрии. Разница между измеренным и теоретически предсказанным магнитным моментом называется аномальным магнитным моментом.
Предсказания теории ограничены сложностью расчетов, связанных с адронным сектором. Вклад адронов в эти расчеты включает флуктуации вакуума, обусловленные сильно взаимодействующими частицами, такими как протоны, нейтроны и мезоны. Хотя вычисления в рамках квантовой электродинамики и электрослабой теории считают достаточно точными, теоретические расчеты в отношении вклада адронов эту точность снижают. Поэтому точность предсказаний для аномального магнитного момента мюона ограничена.
Физики, работающие в коллаборации Muon g-2 на Фермилабе (США), провели длительный эксперимент и вычислили магнитный момент мюона с точностью до седьмого знака после запятой. Ученые разогнали мюоны почти до скорости света в кольце хранения частиц. К движущимся мюонам приложили магнитное поле, в 30 тысяч раз превышающее силу магнитного поля Земли. Под действием этого поля мюоны начали менять положение оси вращения, то есть прецессировать вокруг оси спина из-за своего магнитного момента.
Во время движения мюонов по кольцу хранения их магнитный момент взаимодействовал с внешним магнитным полем, подвергаясь воздействию виртуальных частиц, присутствующих в вакууме. На основе сравнения частоты прецессии мюонов и частоты их движения по кольцу, ученые определили аномальный магнитный момент мюона. Достигнутая точность измерения составила 0,2 миллионных, что соответствует семи знакам после запятой.
В 2006 году в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке провели измерения магнитного момента мюона. В ходе эксперимента достигли повышения точности измерений в 2,2 раза по сравнению с предыдущими результатами. Результаты исследования 2024 года опубликованы в журнале Physical Review D.
Экспериментальные данные собирались в течение трех лет, в период с марта по июль 2019 года и с ноября 2019-го по март 2020-го. Исследователи тщательно очистили и скорректировали экспериментальные данные, учитывая различные систематические факторы, которые могли бы исказить результат: динамику поведения мюонов внутри кольца, потерю мюонов на апертуре, расхождение из-за ненулевого электрического поля. Завершить обработку данных планируют к концу 2025 года. Над экспериментом работают 181 исследователь из семи стран и 33 научных организаций.
Хотя точность значительно возросла, прямое сопоставление результатов с теоретическими предсказаниями затруднено из-за несоответствий, обусловленных адронными эффектами. Дополнительный анализ имеющихся данных может повысить статистическую достоверность измерений и способствовать более глубокому пониманию физических явлений, выходящих за рамки Стандартной модели. Исследователи ожидают добавления двух порядков к точности.