Главная Новости Эксперименты с магнетизмом мюона опровергают Стандартную модель элементарных частиц?

Экспериментальная неопределенность мюона

Теоретические предсказания приближаются к экспериментальным результатам, но возможные пробелы в стандартной модели физики частиц все еще остаются, сообщает Альтернативная наука.

Магнитный момент мюона: теория и эксперимент

Загадки мюона завораживают физиков. В прошлом году эксперимент показал, что элементарная частица обладает необъяснимо сильным магнетизмом, что, возможно, нарушает некоторые положения стандартной модели.

Пересмотренные сегодня расчеты показывают, что теоретическое предсказание о сильном магнетизме мюона близко к истине.

Экспериментальные данные и теоретические расчеты пока являются предварительными и не полностью совпадают с требованиями стандартной модели. Но, сокращая разрыв между теорией и экспериментом, физики надеются облегчить решение проблемы. И в то же время создать потенциально новые расхождения.

Мюон почти идентичен электрону, за исключением того, что он в 200 раз тяжелее и недолговечен, распадаясь за миллионные доли секунды при столкновении частиц.

Как и электрон, мюон обладает магнитным полем, которое заставляет его действовать соответствующим образом. В результате образуется ножество частиц, которые на короткое время появляются и исчезают.

Эти эфемерные частицы усиливают магнетизм мюона, возникает так называемый магнитный момент. Вопрос: насколько?

Если стандартная модель поясняет все элементарные частицы Вселенной, то она должна быть в состоянии точно определить дополнительный магнитный вклад.

Однако если эксперименты докажут, что физическая природа мюона отклоняется от предсказания, это означает существование до сих пор неизвестных частиц, мимолетное появление которых искажает магнитный момент больше ожидаемого.

Физики уже заметили намеки на такое расхождение и потратили десятилетия в попытках повысить точность теории и экспериментов, чтобы убедиться, действительно ли они получают разные результаты.

Противоречивые результаты

В 2020 году теоретико-физическое сообщество выпустило консенсусную статью, где изложены самые точные предсказания магнитного момента мюона. Расчеты делались на основании фундаментальных принципов стандартной модели, но исследователям потребовалось добавить некоторые экспериментальные данные, чтобы объяснить магнитное влияние кварков и глюонов, которые невозможно адекватно рассчитать с помощью одной лишь теории.

Лаборатория Ферми. Проект Muon - g - 2

К этим расчетам вскоре присоединилось самое точное экспериментальное измерение магнитного момента мюона. В апреле 2021 года эксперимент Muon g - 2 в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми сообщил, что магнитный момент мюона значительно превышает теоретическое предсказание.

Однако в тот же день физики из коллаборации BMW представили отдельные расчеты магнитного момента, которые не требовали помощи экспериментальных данных. Они использовали метод решетчатой квантовой хромодинамики (решетчатая КХД), для моделирования поведения кварков, глюонов и других частиц.

В результате магнитный момент мюона оказался выше, чем расчеты в консенсусном документе 2020 года, и ближе к экспериментальному значению мюонного g - 2.

КХД не играла заметной роли в консенсусном документе, поскольку в то время предсказания этого метода не были достаточно точными.

Читайте также: Что делать с Крымом?

Современные математические методы и огромная мощность суперкомпьютеров впоследствии помогли команде BMW придать своим симуляциям КХД-решетки достаточный импульс, чтобы получить оценку.

С тех пор по меньшей мере восемь групп физиков по всему миру пытались подтвердить или улучшить предсказания BMW. Они начали с того, что сосредоточились на ограниченном диапазоне энергий частиц, которые моделировал BMW.

Два предварительных результата были опубликованы в репозитории препринтов arXiv в апреле 2022 года: один - Кристофером Обином из Фордхэмского университета в Нью-Йорке и его сотрудниками, а другой - Геном Вангом из Университета Экс-Марсель во Франции.

EVA.UA

Ранее в этом месяце еще две группы - одна под руководством Хартмута Виттига из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце, Германия, другая - Сильвано Симула из Национального института ядерной физики в Риме - объявили о результатах своих исследований мюонного окна на конференции в Лос-Анджелесе.

Группа Симулы готовит препринт, а группа Виттига представила свой вариант 14 июня. Все четыре расчета подтвердили результаты BMW, несмотря на то, что их методы работы с решетками отличаются.

"Очень разные способы подхода к проблеме дают схожий результат", - говорит Обен.

Эксперимент с новым консенсусом

"Со временем разные группы сходятся к результату, который согласуется с результатами BMW, по крайней мере, в промежуточном окне", - говорит Давиде Джусти, физик из Регенсбургского университета, бывший член коллаборации Симулы, который сейчас работает в группе КХД-решетки, возглавляемой его коллегой из Регенсбурга Кристофом Лехнером.

 

Но расчеты все еще предварительные, и они могут разойтись, если применить их за пределами текущего окна.

"Мы еще не знаем, согласуются ли результаты расчетов на решетке, полученные в других коллаборациях, с результатами BMW для других частей", - говорит Аида Эль-Хадра, теоретик из Иллинойского университета, которая участвует в другой работе по расчету решетки КХД.

Более того, экспериментальный результат по мюону g - 2 все еще выше, чем значение, рассчитанное с помощью решетки КХД, поэтому слишком рано делать вывод о том, что стандартная модель была верна все это время.

Эксперимент в Фермилабе должен представить обновленное значение магнитного момента, предварительно в следующем году, но "даже если разрыв между теоретическим предсказанием и экспериментом окажется меньше - даже если он будет в два раза меньше - это все равно будет большим расхождением", - говорит Виттиг.

 

А если КХД-решетка и эксперименты в итоге сойдутся на одном значении, физикам все равно придется объяснить, почему консенсусный документ 2020 года оказался настолько ошибочным, убежден Свен Хайнемайер, физик-теоретик из ЦЕРН.

Пока что ученым остается только ломать голову.

«Трудно поверить, что все наши моделирования были ошибочными, - говорит Обен. - Но также трудно представить, как расчеты, основанные на данных 2020 года, могли пойти не так».

Тем не менее, уже сейчас ясно, что решеточная КХД окажет значительное влияние на вопрос мюонного магнетизма, полагает Джусти.

"Эти расчеты действительно захватывающие, и каким бы ни был ответ, он будет решающим".