Фізика
Фізика

Магнітний момент мюона вийшов за рамки Стандартної моделі

Фізики з експерименту Muon g-2 у Фермілабі побачили відхилення від Стандартної моделі у вимірюваннях магнітного моменту мюона. Так перші результати вказали на 3,3 стандартних відхилення, що перевищує передбачення Стандартної моделі, та при цьому узгоджується з попередніми вимірюваннями Національної лабораторії Брукхевена. Цікаво, що разом результати обох експериментів мають вже статистичну точність у розходженні з теорією у 4,2 сигми. Про це вчені розповіли на семінарі Фермілабу, а деталі роботи опубліковані у журналі Physical Review Letters.

Надпровідне магнітне накопичувальне кільце діаметром близько 15 метрів експерименту Muon g-2 у Фермілабі. Reidar Hahn, Fermilab

Надпровідне магнітне накопичувальне кільце діаметром близько 15 метрів експерименту Muon g-2 у Фермілабі. Reidar Hahn, Fermilab

Що не так із магнітним моментом мюона?

У частинок є така характеристика, як спін - вона описує те, що частинки поводяться так, ніби обертаються навколо своєї осі, ніби дзиґа. Втім, якщо частинка ще і заряджена, як наприклад, електрон, то у неї неминуче з’явиться магнітне поле і вона буде поводитися як справжній магніт - наприклад, притягатися або відштовхуватися. Силою утвореного ними магнітного поля є магнітний момент - «g-фактор». Спектроскопічні експерименти ще 1920-х років продемонстрували нам такі якості у електрона - його магнітний момент дорівнює двом.

Однак, варто враховувати, що електрон може взаємодіяти з іншими частинками, що безумовно вплине на його магнітний момент, хоч і не суттєво. Вакуум не є порожнечею, а більше походить на море віртуальних частинок, які за зустрічі із реальною можуть на неї вплинути. Додатній магнетизм, «g-2», виникає у результаті впливу всіх можливих ефектів, які зустріне електрон. І Стандартна модель насправді може передбачити і це - вона описує взаємодію частинок й навіть те, як вони можуть змінити магнітний момент.

Діаграми Фейнмана, які за Стандартною моделлю описують можливі зміни магнітного моменту мюона від взаємодії з іншими частинками. На першій діаграмі зображена найпростіша взаємодія мюона з фотоном, на другій на його магнітний момент впливає слабка взаємодія, на третій - адронна поляризація вакууму, а на четвертій - розсіяння світла на світлі (зіткнення двох фотонів). Muon g – 2 collaboration / Physical Review Letters, 2021

Діаграми Фейнмана, які за Стандартною моделлю описують можливі зміни магнітного моменту мюона від взаємодії з іншими частинками. На першій діаграмі зображена найпростіша взаємодія мюона з фотоном, на другій на його магнітний момент впливає слабка взаємодія, на третій - адронна поляризація вакууму, а на четвертій - розсіяння світла на світлі (зіткнення двох фотонів). Muon g – 2 collaboration / Physical Review Letters, 2021

Втім, точність наших експериментів росте, а тому попередні значення постійно піддаються перевірці фізиками. Так і сталося з магнітним моментом, який вчені взялися перевіряти за допомогою частинки-родича електрона, що у 207 разів «важча» за нього - мюона. Завдяки цьому вона є ідеальним кандидатом на перевірку взаємодії між магнітними полями. Так у 2001 році перед науковцями постала проблема магнітного моменту мюона - у Брукхейвенській національній лабораторії його значення не зійшлося із теоретичним приблизно на 3 сигма.

Чому він може порушити Стандартну модель?

Річ у тім, що так само як і з передбаченими Стандартною моделлю частинками, мюони можуть взаємодіяти і з ще не відомими нам. Додаткові сили, не враховані Стандартною моделлю, можуть ще більше змінювати g-фактор мюона. Тому їхня знахідка або принаймні переконлива вказівка на них скаже про необхідність розширення Стандартної моделі. Саме відхилення аномального магнітного моменту мюона від очікуваного значення фактично підтверджувало б існування Нової фізики — фізики за межами Стандартної моделі.

Як виміряти магнітний момент?

Фізики запустили новий експеримент Muon g-2 у дослідницькому центрі Фермілаб у 2017 році — він мав би перевиміряти магнітний момент мюона з більшою точністю, ніж це зробили у 2001 році. Тут вчені також використовували магнітне накопичувальне кільце діаметром в 15 метрів — його спеціально перевезли у Чикаго із Лонг-Айленда. Фермілаб слідує концепції попереднього експерименту, однак, вони у 2,5 рази посилили однорідність магнітного поля та запускали вже 16 високополяризованих мюонних пучків з енергією в 3,1 гігаелектронвольт. Пучки мюонів у магнітному кільці прискорюються, а магнітне поле кільця мало б утримувати їх на чітко визначеному круговому шляху. І якби магнітний момент мюона дійсно дорівнював 2, то його спін мав би точно відповідати такій траєкторії. Однак, через додатковий вплив на свій магнітний момент, спіни мюонів дещо змінюють свої напрями, прецесують, що обов’язково мали помітити детектори всередині кільця. Тобто кожна взаємодія мюонів з іншими частинками провокувала би прискорення або уповільнення прецесії — зміни напряму обертання частинки. Це вчені могли побачити за розпадом мюона на електрон і два нейтрино, де електрон, прагнучи вилетіти у тому ж напрямку, на який вказував спин мюона, потрапив би у детектор. Значення, на яке змінився спін, реєструється через кількість та енергію електронів, які вони виявляють з плином часу.

У чому фізики побачили відхилення від теорії?

Представлені вченими результати — дані лише першого запуску експерименту у 2018 році, менше 6 відсотків даних, які в кінцевому підсумку зберуть фізики. У співпраці з більш ніж 35 інститутами в семи країнах колаборація Muon g-2 проаналізувала рух більш як 8 мільярдів мюонів. Вони об’єднали свої дані з результатами лабораторії Брукхейвена — різниця між теорією та експериментом має статистичну точність у 4,2 ​​сигми (вчені зазвичай прагнуть значення 5 сигм). Це означає, що імовірність того, що результати є статистичними коливаннями, становить приблизно 1 до 40 тисяч. Отже, чогось точно Стандартна модель не враховує й фізики закликають до пошуку нових частинок, які можуть взаємодіяти з лептонами, та розширять Стандартну модель.

Перший результат експерименту Muon g-2 у Фермілабі підтверджує результат експерименту, проведеного в Національній лабораторії Брукхейвена, а разом вони вказують, наскільки їхні результати розходяться з передбаченнями Стандартної моделі. Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration

Перший результат експерименту Muon g-2 у Фермілабі підтверджує результат експерименту, проведеного в Національній лабораторії Брукхейвена, а разом вони вказують, наскільки їхні результати розходяться з передбаченнями Стандартної моделі. Ryan Postel, Fermilab/Muon g-2 collaboration