Аномальное поведение мюонов указало на физику за пределами современных теорий

Стандартная модель квантовой механики весьма точно описывает поведение элементарных частиц. Однако ее формулы работают далеко не всегда, что может указывать на неполноту теории и существование более глубокой и фундаментальной «новой физики». Одна из таких аномалий — несовпадение прецессии мюонов с самыми точными расчетами. Физики из коллаборации Muon g-2 измерили это отклонение с огромной точностью, подтвердив, что оно существует и, возможно, связано с влиянием еще неизвестных частиц. Об этом ученые пишут в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Мюоны — элементарные частицы, схожие с электронами, но примерно в 200 раз тяжелее них и далеко не такие стабильные. Мюоны также имеют отрицательный заряд и полуцелый (1/2) спин, благодаря чему обладают магнитным моментом. Оказавшись во внешнем магнитном поле, они отклоняются и колеблются (прецессируют), словно крошечные гироскопы. Эта прецессия зависит от массы частицы, ее заряда и g-Фактора — множителя, который определяет разницу между магнитным и механическим моментами частицы.

В вакууме, где происходит постоянное рождение и гибель виртуальных частиц, их присутствие влияет на магнитный момент мюонов и, как следствие, на величину g-Фактора. Стандартная модель квантовой механики позволяет учесть вклад всех известных частиц и рассчитать g-Фактор с огромной точностью. Однако экспериментальные измерения прецессии мюонов слегка не совпадают с предсказаниями теории. Это отклонение известно как проблема аномального магнитного момента мюонов, и считается, что оно может указывать на существование еще неизвестных массивных частиц или взаимодействий.

Так, наиболее точное значение аномального магнитного момента мюонов, полученное в 2020 году, составляет 0,00116591810. В то же время эксперименты, проведенные в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL), показали величину в 0,00116592080. Новые измерения аномального магнитного момента провели физики из Fermilab. Любопытно, что для этого они использовали магнитное накопительное кольцо из Брукхейвена, которое несколько лет назад перевезли в новую лабораторию и подсоединили к ускорителю частиц в Fermilab специально для измерения аномального магнитного момента мюонов.

Во время эксперимента Muon g-2 поток мюонов направлялся в магнитное кольцо. В глубоком вакууме частицы двигались на скорости, близкой к световой, а ученые измеряли их прецессию. В коллаборации приняли участие более 200 специалистов из семи стран, и в течение 2018 года они собрали более восьми миллиардов измерений. Анализ и статистическая обработка этих данных заняли почти два года, и их результаты обнародованы лишь теперь. С учетом предыдущих и новых данных g-Фактор мюонов составляет 2,00233184122, а аномальный магнитный момент равен 0,00116592061.

Величина, полученная благодаря объединению измерений BNL и Fermilab, имеет стандартное отклонение в 4,2 сигма. Шансы на то, что она является результатом случайных флуктуаций, не превышают одного к сорока тысячам. Тем не менее отклонение уже приближается к пяти сигма — «золотому стандарту» физики элементарных частиц, который позволяет с уверенностью говорить об открытии. Ученые уверены, что уже вскоре они преодолеют эту величину.

По их словам, на сегодня завершена обработка лишь примерно шести процентов всей информации, которые должен собрать эксперимент Muon g-2. Продолжается обработка данных второго и третьего запусков системы, параллельно этому идут измерения четвертого запуска. «Уже первые результаты показывают интригующее отклонение от предсказаний Стандартной модели, — говорит один из представителей коллаборации Крис Полли (Chris Polly), — но в ближайшие пару лет мы узнаем массу нового».