Результати розвіяли надії на існування п’ятої фундаментальної сили, але забезпечили надзвичайно точне підтвердження Стандартної моделі та квантової теорії поля.
Щоб дізнатись останні новини, слідкуйте за нашим каналом Google News онлайн або через застосунок.
Протягом останніх двох десятиліть фізики ламали голову над очевидною розбіжністю між експериментальними даними та теоретичними прогнозами щодо магнітних властивостей мюона – важчого родича електрона. Ця невідповідність натякала на можливе існування п’ятої фундаментальної сили. Однак нова стаття, опублікована в журналі Nature, свідчить про те, що розбіжність виникла через похибку в обчисленнях, а не через якусь захопливу нову фізику – отже, Стандартна модель фізики елементарних частинок досі тримається непохитно.
«За останні приблизно шістдесят років було проведено чимало розрахунків, і зі зростанням їхньої точності всі вони вказували на невідповідність та нову взаємодію, здатну перевернути відомі закони фізики,» – зазначив співавтор дослідження Золтан Фодор, фізик із Університету Пенсільванії. «Ми застосували принципово новий метод обчислення цієї величини розбіжності та довели, що жодної розбіжності немає. Нова взаємодія, на яку ми сподівалися, просто не існує. Відомі взаємодії цілком пояснюють отримане значення».
Мюон належить до класу лептонів і є важчим представником другого покоління частинок – своєрідним старшим братом електрона (тоді як тау є представником третього покоління). Саме ця властивість робить мюони особливо чутливими до віртуальних частинок, які безперервно виникають і зникають у квантовому вакуумі, оскільки мюони здатні на короткочасну взаємодію з ними. Для фізиків мюони цінні тим, що вони достатньо легкі, щоб бути поширеними, але водночас достатньо важкі для проведення експериментів, що дозволяють перевіряти точність Стандартної моделі фізики елементарних частинок.
Мюон має власний внутрішній магніт та кутовий момент, тобто спін. Літера «g» – так звана «константа пропорційності» – позначає відношення між силою внутрішнього магніту та швидкістю обертання. У звичайних умовах магніт мюона мав би вирівнятися вздовж осі зовнішнього магнітного поля – так само, як стрілка компаса орієнтується в магнітному полі Землі. Проте завдяки наявності кутового моменту цього не відбувається: поле діє на обертовий магнітний момент мюона як крутний момент і змушує його прецесувати навколо польової осі. Оскільки мюон може взаємодіяти з віртуальними частинками, значення g відрізняється від класичного значення 2 приблизно на 0,1% – саме тому воно офіційно називається аномальним магнітним моментом мюона.
Експеримент «Мюон g-2» (вимовляється «же мінус два») створено для пошуку ознак фізики за межами Стандартної моделі. Він здійснює точні вимірювання прецесії, яка виникає, коли мюон поміщають у магнітне поле, – і яка зумовлена появою та зникненням віртуальних частинок. Якщо виміряне значення прецесії розходиться з теоретичним передбаченням Стандартної моделі, це є вагомим сигналом можливої нової фізики. Фінальний результат, оголошений 2006 року, зафіксував цікаву розбіжність із передбаченим значенням: виміряний магнітний момент мюона виявився дещо меншим за очікуваний.
Ще більш інтригуючим виявився статистичний рівень цього результату – 3,7 сигма. Сила сигналу вимірюється кількістю стандартних статистичних відхилень від очікуваного фонового значення та утворює характерний «сплеск» на графіку.
Утім, результати на рівні трьох сигма, хоч і виглядають спокусливо, трапляються у фізиці елементарних частинок доволі часто – і здебільшого зникають, щойно до аналізу додаються нові дані. Тому Фермілаб (Національна прискорювальна лабораторія ім. Енріко Фермі) відновивла експеримент «Мюон g-2» із метою підтвердити або спростувати виявлену розбіжність. Фізики Фермілабу завершили первинний аналіз даних оновленого експерименту і встановили «відмінну відповідність» із результатами Брукхейвена. Разом обидва результати підняли статистичну значущість до 4,2 сигма – аж до самого порогу, необхідного для офіційного оголошення відкриття. За ці дослідження експеримент нещодавно отримав Премію прориву у фундаментальній фізиці.
Найновіше вимірювання зосереджується на ефектах сильної ядерної взаємодії – конкретно на явищі «адронної вакуумної поляризації», що виникає в процесі взаємодії кварків і глюонів у рамках квантової хромодинаміки. Автори застосували гібридний підхід, поєднавши масштабні комп’ютерні симуляції з експериментальними даними. «Традиційна методологія передбачала збір тисяч експериментальних результатів та їхню переінтерпретацію для отримання одного числа – магнітного моменту мюона,» – пояснив Фодор. «Наш підхід був принципово іншим. Ми розбили просторово-часовий континуум на дуже дрібні комірки – так звану ґратку – і розв’язали на ній рівняння Стандартної моделі. За цим обчисленням стоїть величезний обсяг теоретичних знань, математики, програмування, обчислювальних методів і комп’ютерної архітектури.»
На ці складні розрахунки пішло десять років, однак результат виявився промовистим: Фодор та його колеги виявили, що отримані значення узгоджуються зі Стандартною моделлю з точністю до половини стандартного відхилення і до одинадцятого знака після коми. Це найточніший розрахунок із будь-коли досягнутих – із похибкою в межах кількох частин на мільярд. Хоча результати не виключають повністю можливість існування нової фізики на кшталт п’ятої сили, вони суттєво звужують простір, де така нова фізика теоретично може «ховатися».
«Люди запитують мене, як я почуваюся, зробивши це відкриття, – і, відверто кажучи, мені трохи сумно,» – зізнався Фодор. «Коли ми починали обчислювати цю величину, ми були переконані, що отримаємо надійне й достовірне підтвердження існування нової п’ятої сили. Натомість ми з’ясували, що жодної п’ятої сили не існує. Але ми здобули надзвичайно точний доказ справедливості не лише Стандартної моделі, а й квантової теорії поля – фундаменту, на якому ця модель збудована».
Читайте також: