Физики доказали, что загадочная частица, якобы нарушавшая законы мироздания, на самом деле следовала правилам

На протяжении десятилетий крошечное расхождение в физике элементарных частиц оставалось захватывающим намёком на возможный изъян в одной из самых успешных научных теорий, указывая на неизвестные силы или квантовые объекты. Однако теперь международная группа учёных под руководством физика из Университета штата Пенсильвания опубликовала самое точное на сегодняшний день исследование, которое показало, что это расхождение было не природной аномалией, а ошибкой в вычислениях.

Более полувека измерения фундаментального свойства мюона — более массивного и недолговечного собрата электрона — не совпадали с теоретическими предсказаниями, порождая надежды на то, что за необъяснимым несоответствием скрывается новая физика. В статье, опубликованной в журнале Nature, команда исследователей описывает одно из самых точных вычислений в истории физики частиц, демонстрируя, что Стандартная модель — теория, описывающая известные строительные блоки материи — по-прежнему незыблема.

«За последние 60 с лишним лет было проведено множество расчётов, и по мере того, как они становились всё точнее, все они указывали на расхождение и некое новое взаимодействие, которое должно было перевернуть известные законы физики, — рассказал Золтан Фодор, заслуженный профессор физики Пенсильванского университета и ведущий автор исследования. — Мы применили новый метод для вычисления этой величины расхождения и показали, что его не существует. Этого нового взаимодействия, на которое мы надеялись, просто нет. Старые взаимодействия полностью объясняют значение».

Выводам команды, на вычисление которых ушло более 10 лет, удалось согласовать теорию и эксперимент с точностью до половины стандартного отклонения, достигнув уровня точности, который ещё десятилетие назад казался немыслимым. Результат укрепляет доверие к Стандартной модели до 11 десятичных знаков, резко сужая пространство, где могли бы скрываться явления новой физики. «Люди спрашивают меня, каково это — совершить такое открытие, и, честно говоря, мне немного грустно, — признался Фодор. — Когда мы начинали вычислять эту величину, мы думали, что получим хороший и надёжный расчёт для новой пятой силы. Вместо этого мы выяснили, что пятой силы не существует. Мы получили очень точное доказательство не только Стандартной модели, но и квантовой теории поля, которая является её фундаментом».

Новые и предыдущие расчёты опираются на так называемый «магнитный момент» мюона — показатель того, насколько сильно частица ведёт себя как крошечный стержневой магнит. Согласно квантовой теории, это число должно быть равно ровно двум, однако в экспериментах учёные фиксировали отклонения от предсказаний теории. Другие частицы, появляясь и исчезая, воздействовали на мюон, изменяя его магнитную силу на небольшую величину, известную как «аномальный магнитный момент» (g−2). Поскольку мюоны примерно в 200 раз тяжелее электронов, они особенно чувствительны к таким воздействиям, что сделало величину g−2 мюона одной из самых тщательно изучаемых в физике.

Эксперименты в ЦЕРНе в 1960–70-х годах, в Брукхейвенской национальной лаборатории в начале 2000-х, а затем в Фермилабе (штат Иллинойс) измерили магнитный момент мюона с исключительной точностью, получив за это Премию за прорыв в фундаментальной физике. Долгие годы экспериментальное значение g−2 мюона продолжало расходиться с предсказаниями Стандартной модели. Теоретический расчёт зависел от особенно сложного аспекта физики — сильного взаимодействия, самого мощного из четырёх фундаментальных сил природы. Сильное взаимодействие, которое примерно в 100 триллионов триллионов триллионов раз сильнее гравитации, связывает субатомные кварки в протоны, нейтроны и другие адроны.

Из-за огромной силы этого взаимодействия почти невозможно провести теоретические вычисления, чтобы проверить, соответствует ли поведение мюона Стандартной модели. Исследовательская команда решила эту проблему по-новому, применив решёточную квантовую хромодинамику — вычислительный подход, моделирующий сильное взаимодействие на огромных суперкомпьютерах путём разбиения пространства и времени на мелкую сетку, или решётку. «Старая методология включала сбор тысяч экспериментальных результатов и их повторную интерпретацию для получения единственного числа — магнитного момента мюона, — пояснил Фодор. — Наш подход был совершенно иным. Мы разделили пространство-время на очень маленькие ячейки — решётку, а затем решили уравнения Стандартной модели на этой решётке».

За 10 лет совместной работы команды решёточные вычисления значительно улучшились, но достижение необходимой точности для g−2 мюона оставалось сложнейшей задачей, поэтому они попробовали кое-что другое. Исследователи объединили решёточные вычисления на малых и средних расстояниях между ячейками с наиболее надёжными экспериментальными данными на больших расстояниях, где существующие измерения уже хорошо согласуются друг с другом. Это позволило им уменьшить неопределённости гораздо эффективнее, чем каждый подход по отдельности. Одновременно они моделировали теорию на более тонких решётках, чем в предыдущих исследованиях, резко сократив пространство для ошибки. Результатом стал самый точный на сегодняшний день расчёт магнитного момента мюона, и когда это число было включено в полное предсказание Стандартной модели, давнее несоответствие с экспериментальными результатами практически исчезло.

«Это предсказание объединяет электромагнитные, слабые и сильные силы, каждая из которых требует совершенно разных теоретических инструментов, в единый расчёт с точностью до долей миллиардной доли, — отметил Фодор. — Оно показывает, что мы действительно понимаем, как работает природа, на невероятно глубоком уровне». Этот результат, добавил он, не означает, что новая физика полностью исключена, но одно из самых многообещающих её направлений стало значительно уже. Будущие эксперименты помогут прояснить картину, но сейчас Стандартная модель остаётся сильной. «Мы не получили пятую силу, но мы получили очень красивое и, вероятно, лучшее доказательство квантовой теории, которая лежит в основе всего нашего понимания самых фундаментальных вопросов природы», — заключил Фодор.

Исследование опубликовано в журнале Nature.