Наука

Аномальна поведінка мюонів вказала на фізику за межами сучасних теорій

Експеримент Muon g-2 виміряв аномальний магнітний момент мюонів, підтвердивши, що він не збігається з розрахунковим значенням. Це відхилення свідчить про існування частинок або взаємодій, невідомих в Стандартної моделі квантової механіки.

15-метрова кільцева пастка в Fermilab / © Reidar Hahn, Fermilab

Стандартна модель квантової механіки досить точно описує поведінку елементарних частинок. Однак її формули працюють далеко не завжди, що може вказувати на неповноту теорії й існування більш глибокої і фундаментальної «нової фізики». Одна з таких аномалій – розбіжність прецесії мюонів з найточнішими розрахунками. Фізики з колаборації Muon g-2 виміряли це відхилення з величезною точністю, підтвердивши, що воно існує і, можливо, пов’язано з впливом ще невідомих часток. Про це вчені пишуть в статті, опублікованій в журналі Physical Review Letters.

Мюони – елементарні частинки, схожі з електронами, але приблизно в 200 разів важче них і далеко не такі стабільні. Мюони також мають негативний заряд і напівцілий (1/2) спин, завдяки чому мають магнітні моменти. Опинившись в зовнішньому магнітному полі, вони відхиляються і коливаються (прецесують), немов крихітні гіроскопи. Ця прецесія залежить від маси частинки, її заряду і g-Фактора – множника, який визначає різницю між магнітним і механічним моментами частки.

У вакуумі, де відбувається постійне народження і загибель віртуальних частинок, їх присутність впливає на магнітний момент мюонів і, як наслідок, на величину g-Фактора. Стандартна модель квантової механіки дозволяє врахувати внесок всіх відомих частинок і розрахувати g-Фактор з величезною точністю. Однак експериментальні вимірювання прецесії мюонів злегка не збігаються з передбаченнями теорії. Це відхилення відомо як проблема аномального магнітного моменту мюонів, і вважається, що воно може вказувати на існування ще невідомих масивних частинок або взаємодій.

© Fermilab, Muon g-2 Сollaboration

Так, найбільш точне значення аномального магнітного моменту мюонів, отримане в 2020 році, становить +0,00116591810. В той самий час експерименти, проведені в Брукхейвенській національній лабораторії (BNL), показали величину в +0,00116592080. Нові виміри аномального магнітного моменту провели фізики з Fermilab. Цікаво, що для цього вони використовували магнітне накопичувальне кільце з Брукхейвена, яке кілька років тому перевезли в нову лабораторію і під’єднали до прискорювача частинок в Fermilab спеціально для вимірювання аномального магнітного моменту мюонів.

Результати, отримані в ході експерименту Muon g-2, підтвердили попередні вимірювання BNL: магнітний момент мюона не збігається з теоретичними передбаченнями / © Ryan Postel, Fermilab, Muon g-2 Сollaboration

Під час експерименту Muon g-2 потік мюонів прямував в магнітне кільце. У глибокому вакуумі частки рухалися на швидкості, близькій до світлової, а вчені вимірювали їх прецесію. У колаборації взяли участь понад 200 фахівців із семи країн, і протягом 2018 року ці фірми зібрали понад вісім мільярдів вимірювань. Аналіз і статистична обробка цих даних зайняли майже два роки, і їх результати оприлюднені лише тепер. З урахуванням попередніх і нових даних g-Фактор мюонів становить +2,00233184122, а аномальний магнітний момент дорівнює +0,00116592061.

Величина, отримана завдяки об’єднанню вимірювань BNL і Fermilab, має стандартне відхилення в 4,2 сигми. Шанси на те, що вона є результатом випадкових флуктуацій, не перевищують одного до сорока тисяч. Проте відхилення вже наближається до п’яти сигма – «золотого стандарту» фізики елементарних частинок, який дозволяє з упевненістю говорити про відкриття. Вчені впевнені, що вже незабаром вони подолають цю величину.

За їх словами, на сьогодні завершено обробку лише приблизно шести відсотків всієї інформації, які повинен зібрати експеримент Muon g-2. Триває обробка даних другого і третього запусків системи, паралельно цьому йдуть вимірювання четвертого запуску. «Уже перші результати показують інтригуюче відхилення від передбачень Стандартної моделі,каже один з представників колаборації Кріс Поллі (Chris Polly), – але в найближчі пару років ми дізнаємося багато нового».

Натхнення: naked-science.ru


Підписуйтеся на нас в Гугл Новини, а також читайте в Телеграм і Фейсбук


Back to top button