Пятнадцать лет назад физики из Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили нечто удивительное. Мюоны – тип субатомных частиц – двигались неожиданными образом, что не соответствовало теоретическим предсказаниям. С тех пор физики пытались понять почему. Недавно группа исследователей из Fermilab занялась экспериментальной стороной вопроса и 7 апреля 2021 года опубликовала результаты, подтверждающие первоначальное измерение. Ряд исследователей, однако, придерживается другого подхода, полагая, что никакой «новой физики» на горизонте нет. Так, команда ученых в рамках сотрудничества Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration попробовала выяснить, не было ли старое теоретическое предсказание неверным. Для расчета взаимодействия мюонов с магнитными полями был использован новый метод. Если расчеты исследователей верны, то никакого расхождения между теорией и экспериментом нет, как и не открытой силы природы.
Физика переживает интересные времена – одни исследования показывают, что возможно существует неизвестная науке сила природы, а другие свидетельствуют, что Стандартная модель по-прежнему непоколебима.
Мюон и Стандартная модель
Хотя это и не очевидно, но мюоны – более тяжелые и нестабильные сестры электрона – окружают нас со всех сторон. Создаются эти субатомные частицы, например, при столкновении космических лучей с частицами в атмосфере нашей планеты. Интересно, что мюоны могут проходить сквозь материю, а ученые используют их для исследования недоступных внутренних структур – от гигантских вулканов до египетских пирамид.
Почти все во Вселенной, от строения атомов до работы компьютеров и движения галактик, можно описать с помощью четырех взаимодействий: гравитации; электромагнетизма; слабого взаимодействия, отвечающего за радиоактивный распад; сильного взаимодействия, отвечающего за удержание протонов и нейтронов в ядре атома. Эту структуру ученые называют Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Интересно, что все взаимодействия Стандартной модели вносят в свой вклад в магнитный момент мюона, но каждое из них делает это несколькими различными способами, определить которые оказалось невероятно трудно.
Мюоны, обнаруженные в космических лучах, переполошили научное сообщество и даже широкую общественность.
«Большинство явлений в природе можно объяснить с помощью Стандартной модели, – отмечает Золтан Фодор, профессор физики в Пенсильванском университете и руководитель исследовательской группы. «Мы можем предсказать свойства частиц чрезвычайно точно, основываясь только на этой теории, поэтому, когда теория и эксперимент не совпадают, мы рассматриваем вероятность того, что обнаружили что-то новое, что-то за пределами Стандартной модели».
Магнетическая тайна
В прошлом для расчета магнитного момента мюона физики использовали смешанный подход – они собирали данные о столкновениях между электронами и позитронами – противоположностью электронов – и использовали их для вычисления вклада сильного взаимодействия в магнитный момент мюона. Этот подход использовался для дальнейшего уточнения оценки в течение десятилетий. Последние результаты относятся к 2020 году и дают очень точную оценку.
В исследовании, опубликованном 6 апреля в журнале Nаture, физики применили новый подход, который дает оценку напряженности магнитного поля мюона и близко соответствует его экспериментальному значению. Примечательно, что ученые использовали полностью проверенную теорию, которая была полностью независима от опоры на экспериментальные измерения.
«Мы начали с довольно простых уравнений и построили всю оценку с нуля», – пишут исследователи. Новые вычисления потребовали сотен миллионов процессорных часов в нескольких суперкомпьютерных центрах Европы и привели теорию в соответствие с измерениями.
Физики использовали более интенсивный источник мюонов, что дало им более точный результат, который почти идеально соответствовал старому измерению.
Полученные данные существенно сокращают разрыв между теорией и экспериментальными измерениями и, если являются верными, подтверждают главенство Стандартной модели, которая десятилетиями руководила физикой элементарных частиц. Но история на этом не заканчивается, так как теперь полученные результаты должны быть перепроверены другими исследовательскими группами. Но что в итоге?
Новые эксперименты
Важно понимать, что для открытия Новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели, существует научный консенсус – расхождение между теорией и измерением должно достигать пяти сигм — статистической меры, которая приравнивается к вероятности примерно 1 к 3,5 миллионам.
В случае мюона измерения его магнитного поля отклонялись от существующих теоретических предсказаний примерно на 3,7 сигмы. Это, безусловно, интригующе, но недостаточно для того, чтобы объявить о крахе Стандартной модели. Так что в будущем исследователи намереваются улучшить как измерения, так и теорию в надежде либо примирить теорию и измерение, либо увеличить сигму до уровня, который позволил бы объявить об открытии Новой физики.
