Недавно мировые СМИ сообщили о ряде удивительных открытий, согласно которым Стандартная модель физики частиц может оказаться неполной. Все дело в магнетизме субатомных частиц, называемых мюонами: пятнадцать лет назад физики из Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили, что мюоны двигаются неожиданными образом, что не соответствовало теоретическим предсказаниям. С тех пор ученые пытались понять почему.
Мюон и Стандартная модель
Исследователи регистрируют мюоны в космических лучах – они возникают в результате распада заряженных пионов (три вида субатомных частиц из группы мезонов). Пионы создаются в верхних слоях атмосферы и имеют очень короткое время распада – несколько наносекунд. Мюоны являются неотъемлемым элементом космоса, а физики отмечают, что они похожи на крошечные вращающиеся вокруг собственной оси магниты.
Мюоны идентичны электронам (за исключением массы) и имеют скорости, близкие к скорости света. Эти субатомные частицы генерируют магнитные поля, силу и ориентацию которых физики называют магнитным моментом.
Для расчета магнитного момента мюона вплоть до 2020 года ученые использовали смешанный подход. Они собирали данные о столкновениях между электронами и позитронами (противоположностью электронов) а затем использовали их для вычисления вклада сильного взаимодействия в магнитный момент мюона. Последние результаты были получены в прошлом году и дают очень точную оценку.
6 апреля в научном журнале Nature вышло исследование, в котором физики применили новый подход. С его помощью им удалось получить оценку напряженности магнитного поля мюона, которое практически полностью соответствует его экспериментальному значению.
По словам ведущего автора исследования, профессора физики в Пенсильванском университете Золтона Фодора, большинство явлений в природе можно объяснить с помощью Стандартной модели – она позволяет предсказать свойства частиц с удивительной точностью. Но когда экспериментальные результаты и теория не совпадают, существует вероятность открытия чего-то нового – чего-то, что лежит за пределами Стандартной модели.
Стандартная модель является самой успешной на сегодняшний день квантовой теорией, которая описывает слабые, электромагнитныее и сильные взаимодействия.
Частицы Стандартной модели объединяются друг с другом четырьмя фундаментальными силами. Три описанных выше взаимодействия доступны квантовой физике, но четвертое – гравитационное взаимодействие – не согласуется с квантовой теорией, поэтому его рассматривают отдельно.
В ходе нового исследования ученым удалось привести теорию в соответствии с измерениями. Для этого они построили оценку с нуля, начав с довольно простых уравнений.
Читайте также: Альтернативная история Большого взрыва
Полученные данные существенно сокращают разрыв между теорией и экспериментальными измерениями и, если являются верными, подтверждают главенство Стандартной модели, которая десятилетиями руководила физикой элементарных частиц. Но это – далеко не самые интересные новости.
Кто и почему говорит о «Новой физике»?
Несмотря на описанные выше результаты, существует все больше свидетельств того, что крошечная субатомная частица, похоже, не подчиняется известным законам физики. Так 7 апреля в журнале Physical Review Letters вышло исследование, результаты которого, по мнению его авторов, открывают дверь в неизвестность в нашем понимании Вселенной.
Как говорится в пресс-релизе исследования, ученые из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab, США) в ходе эксперимента, который получил название Muon g-2 хотели получить точные измерения колебания магнитных мюонов при прохождении через магнитное поле.
«Если экспериментальное значение магнитного момента мюонов отличается от теоретического предсказания – мы называем это аномалией – это отклонение может быть признаком новой физики, в которой на мюон влияет тонкая и неизвестная частица или сила», – пишут авторы научной работы.
Необходимо отметить, что поиски подобной аномалии (и «Новой физики» в частности) ведутся не один год – ученые ищут ее, чтобы разгадать тайну темной материи, темной энергии и других явлений. Дело в том, что несмотря на успех Стандартной модели, она, увы, описывает Вселенную не до конца, так как не учитывает четвертое, гравитационное взаимодействие.
Новая сила природы
Так как признаки Новой физики можно обнаружить благодаря аномалиям, исследователи изучают их очень внимательно, особенно когда экспериментальные результаты расходятся с теоретическими предсказаниями.
Именно это и произошло в ходе работы физиков из Fermilab – результаты эксперимента показали, что полученное значение магнитного момента мюона, когда тот проходит через магнитное поле, отклоняется от теории на ничтожную величину – 0,00000000251 – и имеет статистическую значимость 4,2 сигма. Для полной уверенности физикам нужно достичь показателя в 5 сигма. Но даже такая крошечная величина может сильно изменить направление физики элементарных частиц.
Мюонное кольцо g-2 в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab, США), работает при температуре минус 450 градусов по Фаренгейту и изучает колебания мюонов при прохождении через магнитное поле.
К сожалению, несмотря на столь вдохновляющие результаты, при такой статистической значимости сигма нельзя сказать, что ученые совершили открытие. Но доказательства существования новой физики в мюонах, как пишет Scientific American, в сочетании с аномалиями, недавно наблюдавшимися в эксперименте Большого адронного коллайдера Beauty (LHCb) в ЦЕРН близ Женевы – впечатляют и раззадоривают исследователей.
Ученые также сообщили, что вероятность того, что полученные измерения могут быть случайностью, равняются одному из 40 000. Этого, однако, недостаточно для объявления официального открытия, но ученые отмечают, что в ближайшие годы мюонные эксперименты продолжатся, а значит данных будет значительно больше.
Интересно, что сам эксперимент Fermilab закончился в середине 2018 года, но исследовательская команда по-прежнему занимается анализом полученных данных, включая дополнительные.
Если эти данные окажутся похожи на те, что опубликованы в новом исследовании, их может быть достаточно, чтобы сделать аномалию полномасштабным открытием к концу 2023 года – то есть подтвердить наличие новой, неизвестной науке силы природы (или частицы), которая оказывает влияние на мюоны. Так что ждем, 2023 не за горами.
Материал подготовлен специально для crithin.ru
Vkontakte
Twitter
Одноклассники
