Российские физики из Института ядерной физики СО РАН значительно, в четыре раза, уменьшили сложность решения проблемы аномального магнитного момента мюона, которая является одной из наиболее актуальных в современной физике.
Ученые из Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) осуществили измерение вероятности образования пары пионов в процессе столкновения пучков электронов и позитронов. Исследования проводились с использованием детектора КМД-3 на коллайдере ВЭПП-2000 с 2013 по 2020 год. Рекордный объем набранных данных позволил провести очень детальное измерение. Результат стал сюрпризом: как показывают исследования новосибирских физиков, вероятность рождения пары пионов в результате столкновения пучков электронов и позитронов куда выше, чем данные, которые ученые в мире получали последние 60 лет.
Вероятность образования пионов применяется для определения вклада в аномальный магнитный момент мюона (АМММ). Магнитный момент характеризует интенсивность взаимодействия частицы с магнитным полем. Аномальный магнитный момент является следствием взаимодействия частицы с кратковременными, невидимыми, или виртуальными частицами. Стандартная модель, современная теория, описывающая физику микромира, позволяет с высокой точностью предсказать величину АМММ. Использование вероятности рождения пионов происходит именно в этом расчете.
В последние годы измерения АМММ проводились с высокой точностью, и полученные результаты не соответствовали значению, предсказанному Стандартной моделью. Данное расхождение привлекло значительное внимание научного сообщества, поскольку свидетельствовало о наличии Новой физики — явлений, обусловленных частицами и силами, которые не поддаются описанию в рамках Стандартной модели.
Многолетние измерения вероятности образования пары пионов в электрон-позитронной аннигиляции, когда электрон и позитрон взаимно исчезают, порождая новые частицы, позволили физикам ИЯФ СО РАН приблизительно в четыре раза уменьшить расхождение между экспериментально полученным значением АМММ и предсказанием СМ. Этот новый результат, а также подробное описание эксперимента опубликован в arxiv.org.
Любая заряженная частица обладает аномальным магнитным моментом, однако наиболее перспективным для его изучения является мюон. На пресс-конференции в ИЯФ СО РАН, прошедшей 18 апреля, заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, доктор физико-математических наук Иван Логашенко отметил: «Преимущество мюона заключается в том, что физики способны получать эти частицы в значительном количестве, а также в их относительно продолжительном времени жизни – целых две микросекунды. Эта частица действует как небольшой магнитик, вращаясь в магнитном поле, и величина АММ определяется по углу его поворота. Если частица характеризуется малым временем жизни, как, например, тау-лептон, АММ которого также было бы интересно измерить, она успевает повернуться на незначительный угол до момента распада. В то время как мюон, наоборот, успевает совершить десятки полных оборотов, что позволяет измерить величину АММ с высокой точностью. С еще большей точностью, приблизительно в 1000 раз, измеряется АММ электрона, который обладает бесконечным временем жизни. Однако здесь вступает в игру еще одно преимущество мюона – он в 200 раз тяжелее электрона, и его АММ значительно более чувствителен, примерно в 40 тысяч раз, к влиянию тяжелых частиц. Именно поэтому для мюона наиболее интересно сопоставить величину АММ, полученную в эксперименте, с предсказаниями Стандартной модели. В случае обнаружения отклонения это может свидетельствовать о Новой физике: о существовании сил и частиц, которые вносят вклад в АММ и не учитываются в Стандартной модели».
«Мы не можем объяснить, почему полученные нами результаты существенно отличаются от результатов, полученных нашими коллегами. Мы полностью уверены в нашем результате, поскольку провели обширный комплекс проверок. Также предыдущие измерения выполнялись опытными научными группами, и они тоже подвергались тщательной проверке. Необходимо определить, в чем заключаются отличия наших измерений от всех остальных», ― добавил Иван Логашенко.
На вопрос корреспондента Naked Science, на вопрос о том, насколько результаты эксперимента позволяют сделать вывод об отсутствии Новой физики, Логашенко ответил, что ключевым фактором является точность измерений. Чем массивнее частицы, которые еще предстоит обнаружить, тем незначительнее их влияние на аномальный магнитный момент мюона. Следовательно, способность эксперимента выявить вклад гипотетических частиц, то есть разрешающая способность, определяется точностью измерений. С учетом достигнутой точности можно утверждать, что вопрос отчасти закрыт. Ученые уже могут установить верхнюю границу массы для определенных частиц. Однако, частицы с большой массой все еще могут существовать!»
Параметров детектора КМД-3 оказалось достаточно для достижения систематической неопределенности в измерении пионного форм-фактора, составляющей 0,7 процента. Этого оказалось достаточно, чтобы установить, что новый форм-фактор незначительно отличается в большую сторону от пионных форм-факторов, полученных в предыдущих экспериментах. Зарегистрированные расхождения в диапазоне от 0,6 до 0,75 гигаэлектронвольта составили лишь пять процентов, однако эта разница имеет значение при оценке влияния пионов, возникших в процессе рождения, на аномальный магнитный момент мюона. При использовании нового форм-фактора, расхождение между Стандартной моделью и экспериментальными данными для этой величины сокращается приблизительно в четыре раза. Таким образом, расчеты магнитного момента, основанные на Стандартной модели, теперь согласуются с результатами экспериментов.
«Наш недавний анализ не исчерпывает тему изучения АМММ. Для подтверждения собственных измерений требуются дальнейшие эксперименты с повышенной точностью. Также необходима независимая верификация полученных результатов. К примеру, в Японии на Belle II в настоящее время собираются данные для измерения вероятности рождения двух пионов в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары. В ИЯФ также продолжат работу над повышением точности экспериментов. Полагаю, в течение ближайших пяти-десяти лет мы получим четкое представление о том, соответствуют ли наши значения друг другу или же расхождение в них может свидетельствовать о Новой физике», — пояснил это открытие старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Федор Игнатов.