Главная Физика Ученые говорят, что эксперимент с мюоном приведет к новой физике

Эксперимент c мюоном способен показать путь к новой физике

Проводимый в Фермилабе эксперимент по измерению магнитных свойств мюона способен проложить дорогу к новой физике, пишет Альтернативная наука.

Высокоточный и очень важный эксперимент (получивший название E989) по измерению магнитных свойств фундаментальной частицы мюона запустили в феврале. Фермилаб известна своим ускорителем высокоэнергетических частиц. По сути, лаборатория представляет собой мозговой и экспериментальный центр, который специализируется на фундаментальных исследованиях.

Важность этого эксперимента обусловлена тем, что измеренное в настоящее время значение магнитной силы мюона, nfr yfpsdftvsq "магнитный момент", определяющий его поведение, значительно превышает теоретические предсказания Стандартной модели. СМ считается наиболее успешной теоретической базой, объясняющую вселенную.

Лучшее на сегодняшний день принятое значение обусловлено экспериментом (E821), проведенным на рубеже веков в Брукхейвенской национальной лаборатории (БНЛ) в Нью-Йорке, США, до возможного на тот момент уровня точности.

Результат был значительно усилен (в 14 раз) по сравнению с измерением 1970-х годов. Эксперимент достиг точности 540 ppb, в то время как точность, достигнутая при теоретических расчетах СМ, составляла около 420 ppb.

Эксперименты в БНЛ проводились с 1997 по 2001 год, а окончательно скорректированные результаты опубликованы в 2004-06 годах. Согласно полученным данным, экспериментальное значение оказалось выше примерно на 2,5 ppm, чем теоретическое предсказание в СМ.

Фермилаб готовит революцию в физике

В статистической терминологии это эквивалентно расхождению в "3,5 сигма", то есть вероятность того, что разница обусловлена статистической флуктуацией или случайностью, меньше, чем 1 к 750.

Физики воспринимают такое расхождение как указание на новую физику - вовлекающую еще невидимые частицы - которая лежит за пределами СМ ("Frontline", 25 мая 2001 г.).

Однако следует подчеркнуть, что с точки зрения статистики, расхождение еще недостаточно для того, чтобы признать доказательства существования новой физики.

Революция в физике произойдет только тогда, когда расхождение окажется на уровне "5 сигма". Необходим эквивалент одного шанса из 3,5 миллионов, чтобы убедиться: это не случайная флуктуация или нечто другое. В физике частиц часто наблюдалось, когда расхождения между теорией и экспериментами на уровне 3 сигма исчезали после улучшения статистики и модернизации приборов.

Таким образом, пока Фермилаб не представит убедительных доказательств, данные о магнитном моменте мюона будут считаться согласованными с СМ, хотя отклонение значительно велико.

Эксперимент БНЛ был по существу ограничен статистикой. Как ожидается, новый опыт либо подтвердит, либо опровергнет результаты БНЛ на уровне 5 сигма и выше статистической значимости. Первый набор улучшенных данных получен в феврале 2019 года.

 

В эксперименте Фермилаба используется тот же самый кольцевой сверхпроводящий магнит диаметром 14,2 метра и весом 700 тонн, который применялся в БНЛ. Мюоны в эксперименте тоже будут иметь примерно ту же энергию в 3,1 гигаэлектронвольт (ГэВ), а магнитное поле - 1,45 тесла (примерно в 30 000 раз выше магнитного поля Земли), но его цель - получить более компетентные результаты, чем в БНЛ.

На самом деле, высокочувствительная модернизация, необходимая для достижения заявленной цели, по каким-то техническим причинам оказалась невозможной в самой БНЛ.

Магнитный момент мюона: аномалия, расчеты, предсказания

Не менее, если не более, важным является проведение в июне 2018 года тремя различными исследовательскими группами высокоточных расчетов магнитного момента мюона по методу стандартной модели, которые минимизируют неопределенности, возникающие из-за класса процессов, влияющих на магнитный момент мюона, и которые показывают, что расхождение между измеренными и предсказанными значениями сохраняется.

Хотя на сегодняшний день СМ является наиболее успешной теорией фундаментальных частиц, ее принято считать несовершенной из-за явлений, которые она не объясняет, - экспериментальных данных, которые расходятся с ее предсказаниями на статистически значимом уровне.

К первым относятся описание гравитации, массивные нейтрино, темная материя и энергия, а также объяснение наблюдаемой асимметрии материи во Вселенной.

 

Последние включают в себя загадку радиуса протона, тайну B-мезонов и, самое главное, магнитный момент мюона, который уже жва жесятидетия взламывает головы физикам.

Фактически аномалия магнитного момента мюона стала ключевым испытательным полигоном для определения правильной теоретической основы для новой физики, которая согласовывается с большим объемом существующих данных, соответствующих СМ, но при этом учитывает ее недостатки и способна предлагать верифицируемые предсказания по мере продвижения вверх по энергетической шкале будущих экспериментов.

Например, суперсимметрия (SUSY) предполагает, что существуют дополнительные симметрии, помимо тех, которые указаны в СМ. Она остается одним из основных кандидатов на теорию более высокого уровня, несмотря на то, что энергии порядка 13 тераэлектронвольт Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе не хватает. Мы не в состоянии обнаружить новые частицы и не уверены, что они есть.

Сторонники SUSY надеются, что ученые получат необходимые результаты в будущем, после следующей модернизации БАК.

Незадолго до начала эксперимента в Фермилабе произошла своеобразная сенсация: японские ученые Такахиро Моришима и Хирохико Симидзу из Университета Нагои и Тосифуми Футамасе из Университета Киото опубликовали три статьи, в которых утверждали, что если учесть общие релятивистские эффекты, возникающие из-за гравитационного поля Земли, включая локальную кривизну пространства-времени, то связь магнитного момента с электромагнитным полем становится гравитационно-зависимой. То есть наблюдаемое расхождение между предсказаниями СМ и экспериментом отменяется.

Замечательная новость для людей, верящих, что существует новая физика, и что эксперименты с мюонным магнитным моментом приведут к пересмотру ряда теоретических ожиланий.

Фундаментальные силы взаимодействия между частицами

В рамках стандартной модели Вселенная состоит из двух видов фундаментальных частиц: лептонов и кварков, причем шесть лептонов и шесть кварков организованы в три семейства по две частицы в каждом.

Теория также включает три фундаментальные силы взаимодействия между частицами, эффекты которых наблюдаются на достижимых на сегодняшний день энергетических масштабах (до сотен ГэВ). Речь идет об электромагнетизме, слабых ядерных силах (радиоактивность) и сильных ядерных сил (они удерживают ядро).

Всем известный электрон относится к категории лептонов. Два других лептона, мюон и тау, являются более тяжелыми родственниками электрона - первый в 200 раз, а второй в 3500 раз массивнее, но в остальном ведут себя одинаково.

Кварки являются фундаментальными составляющими частиц, которые в совокупности называются адронами, и к ним относятся нейтрон и протон, образующие атомное ядро.

Три силы описываются в СМ через определенные частицы-посредники или частицы-носители. Когда частицы обмениваются между собой, они испытывают соответствующие силы.

Электромагнитная сила возникает из-за обмена с безмассовым фотоном, слабая ядерная сила - из-за обмена между W+, W- и Z, а сильная ядерная сила обусловлена октетом безмассовых частиц, называемых глюонами.

Внутренний спин и магнитный момент

Все элементарные частицы обладают присущим им квантово-механическим свойством, "спином". Это свойство не имеет аналога в классической физике, но каждую частицу можно представить в виде объекта, вращающегося вокруг своей оси.

Присущий частицам спин может принимать только дискретные значения, кратные половине (в некоторых единицах). Таким образом, значение спина или спинового углового момента мравняется 0, ½, 1 и так далее.

Значение спина для лептонов и кварков равно ½, и они называются фермионами. Силовые посредники, с другой стороны, располагают интегральным спином, равным 1. Они называются бозонами.

Суперсимметрия предполагает существование высшей (математической) симметрии между частицами со спином ½ (фермионы) и частицами со спином 1 (бозоны), а каждая частица, предположительно, имеет более тяжелого суперсимметричного партнера, но в другой категории спинов.

Каждая заряженная частица с ненулевым спином ведет себя как миниатюрный дипольный стержневой магнит, ось которого совпадает с осью спина, а полярность (север-юг) - с направлением движения частицы.

Магнитный момент - это мера силы, с которой он соединяется с магнитным полем. Удобным параметром, который физики используют для изучения магнитных свойств частиц, является гиромагнитное отношение, представляющее собой простое отношение магнитного момента к величине спина - g-фактор.

На простейшем квантово-теоретическом уровне (а-ля уравнение Дирака) значение g-фактора для точечных частиц со спином ½ равно 2. В идеализированной ситуации, когда распределение массы и заряда частиц одинаково, коэффициент g-2 = 0.

Но реальная ситуация не идеальна, и существуют аномалии, которые заставляют значение g отклоняться от 2, то есть g-2 ≠ 0. Половина этого отклонения, или (g-2)/2, называется аномальным магнитным моментом a данной частицы.

На уровне первого приближения, скажем, с точностью до частей на тысячу, аномальный магнитный момент протона a(p) составляет 0,18 по сравнению с 0,001 для a(e) и a(mu) электрона и мюона соответственно. Причина большого значения аномалии для протона связана с его субструктурой, в то время как электрон и мюон почти точечные, хотя и не совсем.

В более точных расчетах, включающих квантовые поправки к g-фактору на более высоких уровнях приближения, значения a(e) и a(mu) существенно отличаются в старших порядках десятичных знаков. Все потому, что квантовые поправки высшего порядка масштабируются как квадраты масс частиц, то есть «вклад» в магнитный момент в 200 раз более тяжелого мюона будет в 40 000 раз больше, чем в случае электрона.

Предыдущий эксперимент BNL и новый эксперимент Фермилаба, по сути, измеряют величину аномалии магнитного момента мюона, поэтому их называют "g-2 экспериментами".

Основной принцип заключается в следующем. Когда заряженная частица, электрон или мюон, движется в однородном магнитном поле, перпендикулярном направлению ее движения, она придерживается по четко определенной круговой орбиты.

В экспериментах BNL и Фермилаб g-2 поляризованный пучок положительно заряженных мюонов с энергией 3,1 ГэВ, спин которых выровнен вдоль направления движения, пропускается через круглый 14,2-метровый сверхпроводящий магнит с однородным вертикальным магнитным полем.

Поскольку мюоны движутся по круговым орбитам в горизонтальной плоскости, они строго ограничиваются и сохраняются в кольце с помощью приложенного электрического поля.

Теперь, поскольку мюоны обладают квантово-механическим спином, который наделяет их внутренним магнетизмом, магнитное поле оказывает на них вращательное воздействие, заставляя спины выравниваться по направлению поля, подобно тому, как компас стремится выровняться по направлению магнитного поля Земли.

Если бы мюоны не вращались, именно это и произошло бы. Но мюоны вращаются и, следовательно, обладают связанным угловым моментом, который не позволяет этому произойти. Спин мюона колеблется, или прецессирует, вокруг оси магнитного поля, не позволяя ей упасть. Точную скорость прецессии спина можно рассчитать.

Если бы мюон был строго точечной релятивистской частицей с g = 2, то скорость его прецессии оставалась бы такой же, как его орбитальный период в магнитном поле.

Но g ≠ 2, и это заставляет мюон прецессировать немного быстрее, чем он вращается. Положительно заряженные частицы распадаются на позитроны и два нейтрино.

Несоответствие между орбитальной частотой и частотой прецессии, которое является мерой отклонения от g-2, измеряется следующим образом. Энергия испущенных позитронов дает информацию о мгновенном направлении спина, поскольку позитроны вылетают вдоль его направления в момент распада.

Детекторная система регистрирует время и энергию обнаруженных позитронов. График зависимости числа событий распада от времени выглядит как любая другая экспоненциальная кривая радиоактивного распада, за исключением того, что здесь на него накладывается вихляние из-за колебания спина. Частота колебаний измеряется с большой точностью, чтобы получить высокоточное значение g-2 и аномального магнитного момента.

Ненулевое значение g-2 возникает, по сути, из-за взаимодействия данной частицы с облаком "виртуальных частиц", которые мимолетно появляются из вакуума благодаря квантовым эффектам и окутывают ее.

Принцип неопределенности Гейзенберга, который характеризует все квантовые явления, позволяет этому происходить. Например, заряженные частицы постоянно испускают и вновь поглощают фотоны, что приводит к колебаниям "виртуального" электромагнитного поля, связанного с этими частицами.

На более высоком уровне этого виртуального процесса испущенный фотон может трансмутировать в виртуальную пару электрон-позитрон (или кварк-антикварк), прежде чем он будет поглощен. Виртуальная пара рекомбинирует обратно в фотон за очень короткое мгновение, который затем поглощается.

Можно представить такие виртуальные процессы в более высоких порядках. В таком случае виртуальные процессы, включающие петли частиц, и каждый более высокий порядок определяется добавлением петель самих частиц.

Принцип неопределенности допускает очевидное нарушение сохранения энергии в таких виртуальных процессах трансмутации, которые характеризуют квантовые петли.

Таким образом, то, что видит внешнее магнитное поле, когда электрон или мюон проходит через него, - голое электромагнитное поле, возникающее из-за собственного электрического заряда и спина частицы, а также флуктуирующее поле, обусловленное комбинированными эффектами этих виртуальных квантовых процессов, изменяющие значения нулевого порядка свойств частицы, наподобие магнитного момента и ее последующее поведение в магнитном поле.

Теперь, если существуют частицы, которые еще не были замечены и, следовательно, не описываются СМ, также вовлечены в виртуальные квантовые процессы, даже если они слишком тяжелы, чтобы быть полученными в реальном мире при доступных в настоящее время энергиях ускорителей.

Элементарные частицы будут мелькать и исчезать благодаря принципу Гейзенберга, но они влияют на магнитный момент мюона. Сохранение энергии в реальном мире, которое не позволяет наблюдать такие частицы, не распространяется на виртуальные процессы. Из-за большей массы мюона его g-фактор в 40 000 раз чувствительнее, чем у электрона.

Неизвестная физика

Существует мнение, что наблюдаемое расхождение в g-2 обусловлено положительными влияниями неизвестных процессов, возникающих из недоступной физики, которые не могли быть использованы в расчетах.

Конечно, если бы можно было провести эксперименты с лептоном тау, то влияние было бы примерно в 300 раз больше по сравнению с мюоном и, соответственно, больше чувствительность.

Однако тау-лептон нестабилен и распадается слишком быстро - через десятки триллионных долей секунды по сравнению с временем жизни мюона, составляющей миллионные доли секунды, - чтобы использовать его в значимых экспериментах. Именно по этой причине измерение g-2 мюона превратилось в идеальный испытательный стенд для новой физики.

Теоретический расчет, скажем, магнитного момента, будет включать суммирование вкладов от каждого сектора, а эти расчеты хитрые, сложные и утомительные.

Удивительно то, что g-2 не только точно определяется в рамках СМ, но и может быть очень точно измерен. Как упоминалось ранее, в то время как расчеты СМ проводились с точностью 420 ppb, эксперимент Фермилаба предполагает точность 140 ppb. То есть физики измерят длину футбольного поля с погрешностью до одной десятой толщины человеческого волоса.

В поисках новых методов расчета

Большая часть теоретической неопределенности на самом деле заключается в вычислениях из адронного сектора, который не поддается прямому расчету.

Чтобы обойти эту проблему, физики, по сути, приняли два метода расчетов. Первый использует данные о производстве адронов из электрон (e - )-позитронных (e + ) столкновений в e - -e + коллайдерах. Эти процессы с образованием адронов e - -e + используются в качестве косвенных данных для получения влияния виртуальных адронов в расчетах магнитного момента мюона.

Поскольку точность экспериментов на e - -e + коллайдерах повышается, постоянно ведутся работы по улучшению расчетов с использованием все более качественных данных от e - -e + процессов.

Другой метод заключается в проведении расчетов в рамках "решетчатого КХД", - предполагается, что частицы (кварки и глюоны) находятся в дискретном решетчатом мире, занимая узлы решетки.

Три новых расчета  (А. Кешаварзи из Ливерпульского университета и его коллеги в Physical Review D) основаны на первом подходе, а два, ожидающие публикации в Physical Review Letters (один - С. Бораньи и другие, второй - Т. Блюм и партнеры), базируются на последнем подходе.

В статье "Viewpoint essay" на сайте Американского физического общества Ли Робертс, член группы эксперимента Фермилаб g-2 из Бостонского университета, заметил, что хотя новые расчеты решетки КХД вполне согласуются с более ранними результатами с использованием феноменологического подхода, погрешности довольно велики.

С другой стороны, расчеты Кешаварзи и других представляют собой наиболее точную оценку адронного влияния. На самом деле, их предсказание отклоняется от экспериментального значения на 3,7 сигма, что еще раз подтверждает давнее расхождение предсказаний СМ с экспериментами.

Как отметил Робертс, в то время как центральное значение предсказаний СМ остается стабильным с 2003 года, неопределенность в расчетах неуклонно уменьшается.

Это означает, что статистическая значимость расхождения продолжают увеличиваться. Возможно, высокоточные данные из Фермилаба еще раз подтвердят, что расхождение действительно существует, а мюон показывает путь к новой физике.