Мюони можуть поводитися не так, як очікувалося. Але вчені не можуть дійти згоди щодо того, чого очікувати.
Проаналізувавши те, як субатомні частинки коливаються в магнітному полі, фізики визначили властивість внутрішнього магніту мюона з більшою точністю, ніж будь-коли раніше, повідомили дослідники з експерименту Muon g−2 10 серпня на семінарі, організованому Fermilab у м. Батавія, Іллінойс
Попередні вимірювання магнетизму мюонів не узгоджувалися з теоретичними прогнозами. Ці передбачення походять від однієї з найважливіших і ретельно перевірених наукових теорій, коли-небудь розроблених, стандартної моделі фізики елементарних частинок, яка описує субатомні частинки та сили, що їх зв’язують.
Мозкові імпланти від депресії
Дізнайтеся про експериментальне лікування та людей, яким воно допомагає, у нашому інформаційному бюлетені з шести частин, Electricity Saved My Brain, який надходить щотижня, починаючи з моменту реєстрації.Зареєструватися
Багато фізиків сподівалися, що розбіжність мюонів може вказувати на недолік у непохитній теорії, яка може привести до кращого розуміння Всесвіту. Але кілька недавніх наукових сюрпризів заплутали теоретичне передбачення сили крихітного магніту мюона, ускладнюючи визначення того, чи вказує вимірювання на нову фізику чи на невирішену проблему з прогнозом.
Вимірювання мюонного магнетизму давно натякали на невідомі частинки
Мюони належать до того ж сімейства частинок, що й електрони, але вони приблизно в 200 разів масивніші. Ці короткоживучі частинки поводяться як мініатюрні магніти, кожна з яких має власне магнітне поле. Сила цього магніту регулюється дивним ефектом квантової фізики. Порожній простір заповнений постійним шквалом частинок, які тимчасово з’являються перед тим, як зникнути. Відомі як «віртуальні» частинки, вони мають дуже реальні ефекти. Ці тимчасові частинки змінюють силу мюонного магніту на суму, яку можна розрахувати відповідно до стандартної моделі.
Точне значення цього налаштування — відомого як аномальний магнітний момент, або «g−2» у фізичних рівняннях — ось що збентежило фізиків.
Дивно, але невідомі науці частинки можуть змінити значення g−2, яке вимірюють вчені. Тож попередні натяки на незгоду з прогнозами стандартної моделі викликали галас серед фізиків.
«На поведінку мюонів, яку ми вимірюємо, впливають усі сили та частинки у Всесвіті», — каже дослідник мюонів g−2 Брінн Маккой, фізик із Вашингтонського університету в Сіетлі. «По суті, це дає нам пряме вікно в те, як працює Всесвіт».
Перше вказівку на невідповідність між прогнозом і вимірюваннями g−2 походить від експерименту в Брукхейвенській національній лабораторії в Аптоні, штат Нью-Йорк, завершеного більше двох десятиліть тому. Потім у 2021 році експеримент Muon g−2, заснований на Fermilab, повідомив про свої перші результати, підтверджуючи розбіжність.
Тепер Muon g−2 подвоїв свою точність в оновленому вимірюванні магнетизму, повідомили дослідники на семінарі Fermilab і в статті, опублікованій 10 серпня на веб-сайті колаборації Muon g−2.
«Досягти такого рівня точності — це справді безпрецедентно і справді вражаюче», — каже фізик Карлос Вагнер із Чиказького університету, який не брав участі в експерименті. «Я просто в захваті». Нове вимірювання містить у чотири рази більше даних, ніж попереднє, серед інших покращень, які підвищили точність.
Вчені прагнуть порівняти це виміряне значення з прогнозом стандартної моделі. Але визначити, що саме передбачає стандартна модель, складно.
Існує складний крок для обчислення значення g−2
У 2020 році після ретельного обмірковування група фізиків-теоретиків під назвою «Ініціатива теорії мюонів g−2» прийшла до консенсусного прогнозу , який можна порівнювати з вимірюваннями. Але з тих пір з’явилася нова, суперечлива інформація з інших експериментів і теоретичних розрахунків, детально описана в заяві, опублікованій 9 серпня на веб-сайті Ініціативи теорії Мюона g−2. Ця інформація залишила прогноз невизначеним.
«На даний момент неможливо провести порівняння та сказати, чи стандартна модель узгоджується з експериментом», — каже фізик-теоретик Том Блюм з Університету Коннектикуту в Сторрсі.
Плутанина пов’язана з особливо складною частиною обчислення g−2. Відомий як поляризація адронного вакууму, він відноситься до коригування в результаті віртуального фотона, випромінюваного мюоном, який розпадається на кварк і його партнера з антиматерії, антикварк. Кварки — це клас частинок, які утворюють більші частинки, відомі як адрони, включаючи протони та нейтрони. Кварк і антикварк взаємодіють перед тим, як анігілювати назад у віртуальний фотон.
Вчені винайшли два основних способи обчислення поляризації адронного вакууму. Традиційний спосіб передбачає використання певних експериментальних даних як вхідних даних для розрахунку. Ці дані отримані в результаті експериментів, які вимірюють, як електрони та їхні частинки антиматерії, позитрони, стикаються та утворюють адрони. Вважається, що результати таких експериментів добре вивчені.
Але недавній експеримент, CMD-3, на колайдері частинок VEPP-2000 у Новосибірську, Росія, не узгоджується з цими іншими експериментами , повідомили дослідники в лютому на arXiv.org. Якщо цей один викид правильний, це означає, що натяки на розбіжності між вимірюваннями мюонів і прогнозом можуть бути слабшими, ніж вважалося.
Другий спосіб оцінки тернистої адронної вакуумної поляризації використовує метод, званий квантовою хромодинамікою решітки. Ця техніка передбачає математичне поділ простору-часу на сітку, щоб зробити обчислення більш зрозумілими. Вченим лише нещодавно вдалося зробити такі розрахунки достатньо точними для корисних порівнянь.
У 2021 році група під назвою «BMW» опублікувала свій розрахунок внеску поляризації адронного вакууму в Nature . Ця оцінка вказувала на більш тісну гармонію між прогнозом і вимірюванням g−2 і не погоджувалася з підходом, керованим даними. Але методика вимагала підтвердження. З тих пір інші вчені виконали власні розрахунки, щоб перевірити частину результату BMW. Ці команди отримали схожі результати з BMW, підвищуючи довіру до методу решітки.
Зараз увага зміщена від ретельного вивчення експериментальних вимірювань і натомість спрямована на аналіз розбіжностей між різними теоретичними методами.
«Експеримент удався», — каже фізик-теоретик Томас Теубнер з Ліверпульського університету в Англії, член колаборації Muon g−2. Тепер, каже він, з’ясувати, чи відповідають мюони стандартній моделі, чи її зламують, це справа фізиків-теоретиків. «Ми повинні навести порядок у нашому домі».