У новому експерименті вчені виміряли магнітні властивості електрона ретельніше, ніж будь-коли раніше, зробивши найточніші вимірювання будь-яких властивостей елементарної частинки. Відомий як магнітний момент електрона, він є мірою напруженості магнітного поля, яке переноситься частинкою.
Ця властивість передбачена стандартною моделлю фізики елементарних частинок, теорією, яка описує частинки та сили на субатомному рівні. Фактично, це найточніший прогноз, зроблений цією теорією.
Порівнявши нове надточне вимірювання та прогноз, вчені дали теорії один із найсуворіших тестів. Нове вимірювання узгоджується з прогнозом стандартної моделі приблизно до 1 трильйонної, або 0,1 мільярдної частки відсотка, повідомляють фізики в Physical Review Letters від 17 лютого .
Коли теорія робить прогноз із високою точністю, це схоже на сигнал кажана фізика, який закликає дослідників перевірити його. «Для деяких із нас це непереборно», — каже фізик Джеральд Габріельс із Північно-Західного університету в Еванстоні, Іллінойс.
Щоб виміряти магнітний момент, Габріельсе та його колеги місяцями поспіль вивчали один електрон, захоплюючи його в магнітне поле та спостерігаючи, як він реагує на мікрохвилі. Команда визначила магнітний момент електрона до 0,13 частин на трильйон, або 0,000000000013 відсотка.
Таке точне вимірювання є складним завданням. «Це настільки складно, що ніхто, крім команди Габріельсе, не наважується це зробити», — каже фізик Хольгер Мюллер з Каліфорнійського університету в Берклі.
Новий результат більш ніж удвічі точніший за попередні вимірювання, які тривали понад 14 років і які також зробила команда Габріельсе. Тепер дослідники нарешті перевершили самих себе. «Коли я побачив [статтю], я сказав: «Вау, вони це зробили», — каже Стефано Лапорта, фізик-теоретик з Падуанського університету в Італії, який працює над обчисленням магнітного моменту електрона за стандартною моделлю.
Нове випробування стандартної моделі було б ще більш вражаючим, якби не головоломка під час ще одного копіткого вимірювання. Два недавніх експерименти, один під керівництвом фізика Сайди Гуеллаті-Хеліфи з лабораторії Кастлера Бросселя в Парижі, а інший — під керівництвом Мюллера, розходяться щодо значення числа, яке називається константою тонкої структури, яке характеризує силу електромагнітних взаємодій. Це число є вхідними даними для стандартної моделі передбачення магнітного моменту електрона. Отже, розбіжності обмежують точність нового тесту. Якби цю розбіжність усунути, тест став би в 10 разів точнішим, ніж зараз.
Потужна стандартна модель десятиліттями витримала шквал експериментальних випробувань. Але вчені не думають, що це все і кінець усього. Частково це тому, що воно не пояснює таких спостережень, як існування темної матерії, невидимої субстанції, яка чинить гравітаційний вплив на космос. І не сказано, чому Всесвіт містить більше матерії, ніж антиматерії. Тому фізики продовжують шукати випадки, коли стандартна модель руйнується.
Одним із найбільш спокусливих натяків на провал стандартної моделі є магнітний момент не електрона, а мюона, важкого родича електрона. У 2021 році вимірювання цієї властивості натякнуло на можливу невідповідність прогнозам стандартної моделі.
«Деякі люди вважають, що ця розбіжність може бути ознакою нової фізики, що виходить за межі стандартної моделі», — каже Гуеллаті-Хеліфа, який написав коментар до нової статті про магнітний момент електронів у журналі Physics . Якщо так, будь-яка нова фізика, що впливає на мюон, також може вплинути на електрон. Тому майбутні вимірювання магнітного моменту електрона також можуть відхилятися від прогнозу, нарешті виявивши недоліки стандартної моделі.