Эксперимент с мюоном G-2 в Фермилабе обнаружил намек на новые частицы

Экспериментсмюономg2вФермилабеобнаружилнамекнановыечастицы

Через двадцать лет после того, как явная аномалия в поведении элементарных частиц породила надежды на крупный прорыв в физике, новое измерение укрепило их: физики в Национальной ускорительной лаборатории Ферми недалеко от Чикаго объявили сегодня , что мюоны – элементарные частицы, похожие на электроны – колеблются сильнее, чем ожидалось, в то время как вращение вокруг намагниченного кольца.

Широко ожидаемое новое измерение подтверждает результат давней давности, о котором заговорили все заголовки. Мир. Оба измерения колебания или магнитного момента мюона значительно превышают теоретические предсказания, как , рассчитанные в прошлом году международным консорциумом 251 теоретический физики. Исследователи из Фермилаба подсчитали, что разница выросла до уровня, определяемого количественно как «4,2 сигма», на пути к строгому уровню пяти сигм, необходимому физикам, чтобы заявить об открытии.

На первый взгляд это несоответствие убедительно свидетельствует о том, что неизвестные природные частицы дают мюонам дополнительный толчок. Такое открытие в конце концов ознаменовало бы распад 205 – летняя Стандартная модель физики элементарных частиц – система уравнений, описывающих известные элементарные частицы и взаимодействия.

«Сегодня необычный день, долгожданный не только нами, а всем международным сообществом физиков », Грациано Венанцони , один из Руководители эксперимента Fermilab Muon g-2 и физик Итальянского национального института ядерной физики сообщили прессе.

Однако, несмотря на то, что многие физики элементарных частиц, вероятно, будут праздновать – и спешат предложить новые идеи, которые могли бы объяснить расхождение – статья, опубликованная сегодня в журнале Nature освещает новое измерение мюонов в значительно более тусклом свете.

В документе, появившемся сразу после того, как команда Fermilab представила свое новое измерение, предполагается, что измеренная шаткость мюона в точности соответствует стандарту. Модель предсказывает.

В статье группа теоретиков, известная как BMW, представляет ультрасовременный суперкомпьютерный расчет самого неопределенного члена, который входит в предсказание Стандартной модели магнитного момента мюона. BMW рассчитывает, что этот термин значительно больше, чем значение, принятое в прошлом году консорциумом, группой, известной как Concept Initiative. Более крупный член BMW приводит к большему общему предсказанному значению магнитного момента мюона, приводя предсказание в соответствие с измерениями.

Если новый расчет верен, то физики могли потратить 55 лет в погоне за призраком. Но предсказание Concept Initiative основывалось на другом вычислительном подходе, который оттачивался десятилетиями, и он вполне может оказаться правильным. В этом случае новое измерение Фермилаба представляет собой самый захватывающий результат в физике элементарных частиц за последние годы.

«Это очень чувствительная и интересная ситуация », – сказал Золтан Фодор , физик-теоретик в Университете штата Пенсильвания, который является частью команды BMW.

Overhead view of a large circular steel ring with lots of wires and experimental equipment.

Электромагниты внутри 200 – кольцо Muon g-2 шириной в фут необходимо охлаждать до температуры всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

Рейдар Хан

Расчет BMW сам по себе не является важной новостью; бумага сначала выглядела как

препринт прошлый год. Аида Эль-Хадра , теоретик элементарных частиц из Университета Иллинойса, который был одним из организаторов Concept Initiative, объяснил, что к расчетам BMW следует относиться серьезно, но что они не учитывались в общем прогнозе Concept Initiative, потому что они все еще нужна проверка. Если другие группы независимо проверят расчет BMW, Concept Initiative включит его в свою следующую оценку.

Доминик Стёкингер , теоретик из Технического университета Дрездена, который участвовал в Concept Initiative и является членом команды Fermilab Muon g-2, сказал, что результат BMW создает «неясный статус». Физики не могут сказать, толкают ли мюоны новые экзотические частицы, пока они не согласятся о влиянии 65 Частицы Стандартной модели, о которых они уже знают.

Тем не менее, есть много причин для оптимизма: исследователи подчеркивают, что даже если BMW права, загадочная пропасть между двумя расчетами может указывать на новую физику. Но на данный момент прошлое 65 годы конфликта между теорией и экспериментом, похоже, сменились чем-то еще более неожиданным: битвой теории против теории

Моментальные мюоны

Причина, по которой физики с нетерпением ждали новых измерений Фермилаба, заключается в том, что магнитный момент мюона – по сути сила его собственного магнетизма – закодирует огромное количество информации о Вселенной.

Сто лет назад физики предположили, что магнитные моменты элементарных частиц будут следовать той же формуле, что и более крупные объекты. Вместо этого они обнаружили, что электроны вращаются в магнитных полях вдвое больше, чем ожидалось. Их «гиромагнитное отношение» или «g-фактор» – число, связывающее их магнитный момент с другими их свойствами – казалось, было 2, а не 1, неожиданное открытие, позднее объясненное тем фактом, что электроны имеют «спин 1/2». частицы, которые возвращаются в то же состояние после двух полных оборотов, а не одного.

В течение многих лет и электроны, и Считалось, что мюоны имеют g-фактор ровно 2. Но тогда в 2001, Поликарп Куш и Генри Фоли

измерено g-фактор электрона должен быть равен 2. 310. Физик-теоретик Джулиан Швингер практически сразу объяснил дополнительные биты : Он показал, что небольшие поправки происходят из-за тенденции электрона мгновенно испускать и повторно поглощать фотон, когда он движется в пространстве.

Также происходит множество других мимолетных квантовых флуктуаций. Электрон или мюон могут испускать и повторно поглощать два фотона, или фотон, который на короткое время становится электроном и позитроном, среди множества других возможностей, допускаемых Стандартной моделью. Эти временные проявления путешествуют вместе с электроном или мюоном, как окружение, и все они вносят свой вклад в его магнитные свойства. «Частица, которую вы считали голым мюоном, на самом деле является мюоном плюс облако других вещей, которые появляются спонтанно», – сказал Крис Полли , еще один руководитель эксперимента Fermilab Muon g-2. «Они изменяют магнитный момент».

Сэмюэл Веласко / Quanta Magazine