Физики сообщили, что магнитный момент мюона всё же больше, чем предсказывает теория, и если результат подтвердится, то, возможно, это приведёт к уточнению Стандартной модели микромира и открытию новых фундаментальных частиц.

Некоторые элементарные частицы имеют собственное магнитное поле и ведут себя подобно обычным магнитам. Характеризуется это поле величиной, получившей название магнитный момент. В первом приближении электрон и его более тяжёлый родственник мюон имеют магнитный момент, точно равный 2 (в соответствующих единицах измерения). Однако, согласно квантовой физике, пространство вокруг мюона кишит различными виртуальными частицами, которые постоянно рождаются и исчезают в физическом вакууме. Мюоны постоянно испускают и поглощают эти частицы, что, как показывает расчёт, изменяет магнитное поле мюона, делает его отличным от 2. Этот эффект, названный «g – 2» (g минус два) более ярко проявляется у мюонов, которые примерно в 200 раз массивнее электронов.

Накопительное кольцо для мюонов, использованное в эксперименте g – 2 в Фермилабе (фото Reidar Hahn/Fermilab).

Схема эксперимента g – 2 (рисунок с официального сайта)

Первое свидетельство того, что с магнитным моментом мюона что-то не так, физики получили в ходе эксперимента по его измерению в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) в 1997-2001 годах. Его окончательные результаты были представлены в 2006 году. Измеренное крошечное отличие от двух (g – 2) оказалось немного больше, чем предсказывали расчёты по Стандартной модели – теории элементарных частиц. Физики назвали обнаруженное явление мюонной магнитной аномалией. Хотя точность измерения была недостаточно высока, чтобы с уверенностью утверждать о реальности расхождения, она была всё же достаточно большой, чтобы вызвать сенсацию и дискуссию среди специалистов.

Дело в том, что теоретическое значение g – 2 было получено после подробного и точного вычисления вкладов всех известных частиц. Поэтому, если экспериментальный результат значительно отличается от предсказанного теорией, в этом могут быть виноваты неучтённые неизвестные типы частиц. Так что эксперимент с мюоном вселил у многих физиков надежду на то, что вскоре будут открыты новые фундаментальные частицы.

Стандартная модель была разработана в 1970-х годах, и с тех пор прошла все испытания, сохранившись до настоящего времени практически без изменений. Но исследователи на протяжении этих 50 лет не оставляют попыток найти отклонения от неё, так называемую «новую физику». Мюонный эксперимент вселил надежды на это и потому был продолжен.

Чтобы проверить результаты, экспериментаторы в 2013 году перевезли оборудование через полстраны в Национальную ускорительную лабораторию Ферми (Fermilab, США) где они могли получить более чистые пучки мюонов, и модернизировали установку. Новый сбор данных был начат в 2018 году, и 7 апреля 2021 года исследователи представили результаты первого года работы, которые также опубликованы в журнале Physical Review Letters.

В эксперименте пучок мюонов движется по кольцу диаметром 15 метров, удерживаемый полем мощного магнита. Одновременно оно заставляет магнитный момент мюонов (грубо говоря, ось «север-юг») вращаться как у волчка или юлы. Скорость этого вращения зависит от магнитного момента частиц. Измерив её с очень большой точностью, исследователи вычисляют магнитный момент мюонов.

Новые результат почти полностью совпадал со старым, это означает, что он не был ни статистической случайностью, ни продуктом какой-то необнаруженной ошибки в эксперименте. При этом за 15 лет эволюционировали и методы теоретических расчётов, их точность сильно возросла. В прошлом году более 130 теоретиков собрались на серии семинаров, чтобы выработать консенсусное значение для предсказания Стандартной модели, которое они опубликовали в ноябре 2020 года. Тем не менее, расхождения между теоретическими и экспериментальными значениями не исчезли. Отметим, что исследователи измерили g – 2 с точностью до 46 миллионных долей процента.

Любопытны и меры предосторожности, предпринятые исследователями, чтобы избежать подсознательной подгонки результатов. Те, кто проводил анализ, не знали точной частоты цифровых часов в приборах, которая необходима для расчёта значения g – 2. В итоге результаты были изображены на графике, оси которого имели немного неопределённые масштабы. Точное значение частоты было известно только двум физикам, не являющимся членами коллаборации. Только 25 февраля 2021 года на телеконференции, в которой участвовало более 200 членов команды, два соруководителя эксперимента открыли конверт, содержащий секретную тактовую частоту. Когда они ввели число в компьютер, тот показал истинное значение g – 2.

Однако, не всё так радужно. Вместе новые и старые результаты увеличили отклонение экспериментального значения от теоретического лишь до 4,2σ. Сигмой (σ) в статистическом анализе обозначают стандартное отклонение. Опуская детали, скажем, что с его помощью можно оценить достоверность полученного результата. Многолетний опыт исследований показал, что если отличие составляет от 3σ до 5σ, то это даёт основания предполагать возможность нового открытия. Однако об этом надо говорить с осторожностью, поскольку история знает немало случаев, когда открытия с подобными отличиями в итоге не подтверждались. У экспериментаторов принято уверенно говорить об открытии, только когда результаты отличаются более чем на 5σ.

Кроме того в 2020 году группа под названием Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration опубликовала препринт, в котором вычислила теоретическое значение для g - 2, близкое к экспериментальному. Если их результаты верны, разрыв между теорией и экспериментом может оказаться несущественным. Поэтому они стали предметом ожесточенных дебатов.

Проблема также в том, что за время, прошедшее с 2001 года, многие возможные частицы-кандидаты, которые могли увеличить магнитный момент мюона, были исключены в других экспериментах, в основном на Большом адронном коллайдере.

Так что полученный результат будет ещё проверяться как теоретиками, так и экспериментаторами. В частности, планируется эксперимент с использованием другой техники и метода измерения магнитного момента мюона в Японском исследовательском комплексе протонных ускорителей (J-PARC) недалеко от Токая, который начнётся в 2025 году. К тому же экспериментаторы из Фермилаба обработали ещё не все свои данные. Только после окончательного подтверждения открытия можно будет сделать вывод о необходимости уточнения Стандартной модели.

Россию в коллаборации «Muon g –2 », занимавшейся этими исследованиями, представляют Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск) и Объединенный институт ядерных исследований (Дубна).

По материалам журнала Nature.