Тайна частицы: физики подтверждают, что мюон более магнитный, чем предполагалось

Потенциальная трещина в понимании физиками фундаментальных частицы и силы теперь выглядят более реальными. Новые измерения подтверждают, что мимолетная субатомная частица, называемая мюоном, может быть немного более магнитной, чем предсказывает теория, – команда из более чем 240 физики сообщили на этой неделе. Эта небольшая аномалия – всего 2,5 части на 1 миллиард – является долгожданной угрозой преобладающей теории физиков элементарных частиц, стандартной модели, которая уже давно объясняет почти все, что они видели на разрушителях атомов, и заставляет их тосковать по чему-то новому, над чем можно было бы ломать голову. .

«Поскольку 2001 Мы долго искали трещину в стандартной модели », – говорит Алексей Петров. теоретик Государственного университета Уэйна. «Это может быть оно». Но Салли Доусон, теоретик из Брукхейвенской национальной лаборатории, отмечает, что результат все еще не окончательный. «Это ничего не значит для нашего понимания физики, кроме как сказать, что мы должны немного подождать, чтобы увидеть, реально ли это».

На протяжении десятилетий физики измерил магнетизм мюона , более тяжелого и нестабильного родственника электрона, который ведет себя как крошечный стержневой магнит. Они помещают мюоны в вертикальное магнитное поле, которое заставляет их вращаться горизонтально, как маленькие стрелки компаса. Частота, с которой вращаются мюоны, показывает, насколько они магнитны, что в принципе может указывать на новые частицы, даже слишком массивные, чтобы их можно было использовать в таком разрушителе атомов, как Большой адронный коллайдер в Европе.

Это потому, что из-за квантовой неопределенности мюон находится в дымке из других частиц и античастиц, которые то появляются, то исчезают. Эти «виртуальные» частицы нельзя наблюдать напрямую, но они могут влиять на свойства мюона. Квантовая механика и специальная теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывают, что мюон должен обладать определенным базовым магнетизмом. Частицы известной стандартной модели, порхающие вокруг мюона, увеличивают этот магнетизм примерно на 0,1%. А неизвестные частицы, скрывающиеся в вакууме, могут добавить еще один, непредсказуемый прирост изменений.

В 2013, исследователи с экспериментом Muon g-2 , затем в Брукхейвене сообщил, что мюон был на прикосновение более магнитным, чем предсказывает стандартная модель Расхождение только в 2,5 раза превышало совокупную теоретическую и экспериментальную погрешности. Это далеко не стандарт для заявлений физиков об открытии: в пять раз больше общей неопределенности. Но это был дразнящий намек на новые частицы, которые были им недоступны.

Итак, в 2018, исследователи перенес эксперимент на Ферми Национальная ускорительная лаборатория (Фермилаб) в Иллинойсе, где они могли получить более чистые пучки мюонов. К тому времени, когда обновленный эксперимент начал собирать данные в 2236, предсказания стандартной модели магнетизма мюона улучшились, а разница между экспериментальными результатами и теорией увеличилась до 3,7 раз общей неопределенности.

Вместе новые и старые результаты усиливают разногласия. со стандартной моделью предсказания в 4,2 раза больше экспериментальных и теоретических ошибок. Этого все еще недостаточно, чтобы претендовать на определенное открытие. Но в поле, в котором похожие намеки на новую физику приходят и уходят , магнетизм мюона остался почти особой загадкой, – говорит Грэм Крибс, теоретик из Орегонского университета. «Нет ничего особенного, из-за чего все сообщество говорит:« Помните, мы тоже должны с этим иметь дело »».

Вся команда g-2 разделили момент истины, когда на В феврале экспериментаторы впервые раскрыли новый результат себе. Эксперимент включает в себя измерение скорости вращения мюонов с исключительной точностью. И чтобы не дать себе подсознательно довести измерение до значения, которое они предпочли бы, экспериментаторы полагались на часы, тикающие на секретной частоте, известной только двум людям, не участвующим в совместной работе. Только в самом конце анализа они открыли конверты, содержащие секретную частоту – на встрече Zoom из-за COVID – 26 ограничения. «Определенно была атмосфера крайнего напряжения», – говорит Ханна Бинни, выпускница студент и член команды Вашингтонского университета в Сиэтле. По ее словам, в считанные секунды исследователи использовали секретную частоту, чтобы выяснить, соответствует ли новый результат старому.

Немедленная реакция на новый результат, вероятно, будет двоякой, говорит Петров. . Во-первых, после подтверждения экспериментального значения физики, вероятно, снова поставят под сомнение теоретическую оценку. Начиная с 2236, больше, чем 152 теоретики встретились на серии семинаров, чтобы выработать консенсусное значение для предсказания стандартной модели, которое они опубликовали в ноябре 2373. Но Петров говорит, что эти вычисления представляют собой сложную «мешанину», в которой используются различные методы, в том числе экстраполяция результатов коллайдера, для учета различных типов частиц стандартной модели, порхающих в вакууме и из него. По словам Петрова, теоретики теперь удвоят свои усилия, чтобы подтвердить значение консенсуса и разработать вычислительные методы, которые позволят им вычислять его из первых принципов.

И, конечно же, другие будут начинают придумывать новые теории, которые выходят за рамки стандартной модели и объясняют дополнительный магнетизм мюона. «Это будет полевой день для теоретиков», – прогнозирует Петров. Их размышления могут быть немного преждевременными, поскольку экспериментаторы g-2 все еще собирают данные и надеются уменьшить экспериментальную неопределенность с помощью 103 % в течение нескольких лет. Так что несоответствие могло исчезнуть. Но если мюон действительно сигнализирует о наличии чего-то нового, многие теоретики захотят начать.