Загадка магнитного свойства мюона решена после 20 лет исследований
Физики из Fermilab провели самое точное на сегодняшний день измерение загадочного магнитного свойства элементарной частицы под названием мюон. Результаты, хотя и разочаровали тех, кто надеялся на открытие новой физики, окончательно подтвердили предсказания Стандартной модели.
Мюон похож на электрон, но примерно в 207 раз тяжелее. Его поведение в магнитном поле описывается гиромагнитным соотношением, или g-фактором. В идеальном случае это значение должно быть равно 2, однако реальность оказалась сложнее. Как число π чуть больше 3, так и g-фактор мюона немного превышает 2.
Согласно новым данным эксперимента Muon g-2 в Fermilab, отклонение составляет 0,001165920705. Эта цифра основана на шести годах исследований с использованием ускорителя частиц и является рекордно точной — погрешность не превышает 127 частей на миллиард. Для наглядности они поясняют: если бы с такой точностью измерили ширину США, можно было бы заметить отсутствие даже одной песчинки.
Однако главный интерес заключался в том, может ли аномалия указывать на существование неизвестных частиц или сил. Другой проект, Muon g-2 Theory Initiative, рассчитал предсказанное Стандартной моделью значение, которое оказалось очень близким к экспериментальным данным — 0,00116592033. Это почти исключает возможность влияния экзотической физики.
«Аномальный магнитный момент мюона — важный тест для Стандартной модели, — отмечает Регина Рамеика, физик из Управления высокоэнергетической физики Министерства энергетики США. — Это впечатляющий результат, и здорово видеть, как эксперимент завершается с такой точностью».
Когда мюон вращается в магнитном поле, его полюса должны совпадать с направлением поля. Однако на практике частица слегка «качается», подобно волчку. Если бы это отклонение оказалось значительным, это могло бы означать влияние неизвестных частиц.
Квантовая физика допускает существование виртуальных частиц, которые ненадолго появляются и исчезают в вакууме. Благодаря своей массе мюон особенно чувствителен к их воздействию. Точное измерение его «качания» могло бы помочь обнаружить новые частицы, такие как темные фотоны или суперсимметричные партнеры известных частиц.
Загадка g-фактора мюона волнует ученых с 2001 года, когда первые эксперименты выявили расхождение между теорией и практикой. Последующие исследования постепенно повышали точность измерений, но расхождение сохранялось.
Текущий этап эксперимента Muon g-2 начался в 2018 году, и каждый год ученые проводили новые измерения. Первые данные указывали на возможное открытие, но окончательные результаты, объединяющие все шесть серий экспериментов, подтвердили Стандартную модель.
Хотя этот результат не принес сенсационных открытий, вопросы за пределами Стандартной модели — такие, как темная материя и природа гравитации — остаются нерешенными.
Исследование направлено в журнал Physical Review Letters и доступно на сервере препринтов .