Новые расчеты, похоже, поставили точку в 25-летней загадке физики элементарных частиц. Но одновременно они выявили противоречия в результатах других экспериментов.

На протяжении 25 лет физики пытались объяснить небольшое расхождение между тем, как, согласно расчётам, должен вести себя мюон в магнитном поле, и тем, что показывали эксперименты. Разница составляла примерно одну миллионную и могла указывать на существование неизвестных частиц.

В 2021 году ситуация резко изменилась. Новые теоретические расчеты показали, что поведение мюона соответствует экспериментальным данным с гораздо большей точностью. Однако вместе с этим возник новый вопрос: почему эти расчеты не совпадают с более ранними предсказаниями, которые также основывались на экспериментальных данных?

Загадка «дрожания» мюона

Мюон — более тяжёлый родственник электрона. В магнитном поле он ведет себя подобно крошечному магниту: его спин заставляет частицу совершать характерное вращательное движение.

Величина этого движения определяется так называемым g-фактором. Если бы мюон существовал в полном одиночестве, его значение равнялось бы ровно 2. Но квантовая теория предполагает, что на мюон постоянно влияют другие частицы. Они на очень короткое время возникают и исчезают, слегка изменяя его движение.

Поэтому точное измерение g–2 мюона фактически позволяет заглянуть в квантовый мир. Как объясняет физик Алекс Кешаварзи из Университетского колледжа Лондона, измерение g–2 можно рассматривать как своеобразный способ узнать, сколько частиц существует во Вселенной.

В 2001 году эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории показал, что мюон отклоняется от ожидаемого значения сильнее, чем предсказывала теория. Это вызвало огромный интерес: расхождение могло быть свидетельством неизвестных частиц, в том числе потенциально связанных с тёмной материей.

Для проверки результата магнитное кольцо диаметром около 15 метров перевезли из Брукхейвена в Иллинойс, в Национальную лабораторию имени Ферми. Там эксперимент модернизировали и провели новые, более точные измерения.

Два способа посчитать поведение мюона

Главная сложность заключалась в теоретическом расчёте. Электромагнитное и слабое взаимодействия описываются сравнительно хорошо, однако сильное взаимодействие, связывающее кварки внутри протонов и нейтронов, значительно сложнее.

Один из подходов получил название метода, основанного на данных. Физики не пытаются полностью вычислить влияние сильного взаимодействия, а используют результаты столкновений электронов и позитронов, в которых рождаются частицы, связанные с кварками.

Именно этот метод дал предсказание, заметно отличавшееся от результатов эксперимента Fermilab в 2021 году. Расхождение оказалось достаточно большим, чтобы почти достичь уровня, необходимого для заявления об открытии новых частиц.

Но существовал и другой подход — решеточная квантовая хромодинамика (lattice QCD). В этом случае взаимодействия кварков моделируются на огромной математической сетке, подобно тому как метеорологи разбивают атмосферу на множество ячеек для расчёта погоды.

В 2014 году международная группа BMW начала использовать этот метод для расчёта g–2 мюона. Первоначально точность таких расчётов была значительно ниже, чем у метода, основанного на экспериментальных данных. Однако за последующее десятилетие учёные усовершенствовали вычислительные методы, а рост вычислительных мощностей позволил существенно повысить точность.

В 2021 году BMW опубликовала результаты, согласно которым поведение мюона полностью соответствует эксперименту Fermilab. Другие независимые группы впоследствии получили сходные результаты.

Сегодня многие физики считают, что сама загадка мюона практически решена: его дополнительное «дрожание» можно объяснить известными частицами и известными законами физики.

Но это не означает, что все вопросы исчезли.

Новый конфликт — внутри экспериментов

Теперь физики пытаются понять, почему метод, основанный на экспериментальных данных, дает другой результат.

Особое внимание привлек ускоритель VEPP-2000 в Новосибирске, где электроны сталкивают с позитронами. Эти столкновения позволяют изучать образование пионов — частиц, связанных с сильным взаимодействием.

В 2010 году на ускорителе установили новый детектор. Когда результаты его работы были опубликованы в 2023 году, исследователи обнаружили, что скорость образования пионов существенно отличается от показателей, полученных ранее.

По словам физика Федора Игнатова из Ливерпульского университета, результат стал неожиданностью для исследователей.

Учёные тщательно проверили новые данные, однако пока не обнаружили ошибок. Более того, некоторые современные расчёты на основе решеточной квантовой хромодинамики согласуются именно с новым результатом VEPP-2000.

При этом анализ более ранних данных другого ускорителя — BABAR в Калифорнии — напротив, хорошо согласуется со старым значением.

Таким образом, перед физиками возникла новая загадка. Различия между экспериментами могут быть следствием пока не замеченных особенностей методики измерений. Но нельзя полностью исключать и более фундаментальный вариант — влияние неизвестных частиц или взаимодействий.

В итоге 25-летняя загадка мюона, которая, казалось, наконец получила решение, привела физиков к другой проблеме. Теперь им предстоит выяснить, какие именно эксперименты правильно описывают поведение кварков и пионов.

От ответа на этот вопрос зависит и то, действительно ли Стандартная модель физики элементарных частиц полностью объясняет наблюдаемые явления — или за пределами известной физики всё ещё скрывается что-то новое.

Подготовлено на базе материалов Quanta Magazine