Ученые измерили магнитный момент мюона с беспрецедентной точностью, превзойдя предыдущий рекорд более чем вдвое.
Физики из Muon g-2 Collaboration разогнали мюоны, известные как «тяжелые электроны», в кольцевом накопителе частиц в Fermilab в США почти до скорости света. Приложив магнитное поле примерно в 30 000 раз сильнее земного, мюоны прецессировали, как волчки, вокруг своей оси вращения из-за собственного магнитного момента.
Когда они вращались вокруг накопительного кольца диаметром 7,1 метра, магнитный момент мюона , на который влияли виртуальные частицы в вакууме, взаимодействовал с внешним магнитным полем. Сравнивая эту частоту прецессии с частотой циклирования вокруг кольца, коллаборация смогла определить «аномальный магнитный момент» мюона с точностью до 0,2 частей на миллион.
Это измерение магнитного момента мюона является последним в серии, начатой в 2006 году, с оригиналом, выполненным в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, Нью-Йорк. Каждый последующий эксперимент повышал точность измерения. Точность последнего измерения в 2,2 раза лучше, чем предыдущее определение той же группы, основанное на более ранних данных. Сотрудничество Muon g-2 состоит из 181 ученого из семи стран и 33 институтов; их последняя работа была опубликована в Physical Review D.
Мюоны в 207 раз массивнее электрона, но в остальном идентичны, с тем же электрическим зарядом и спином. («Кто это заказал?» — воскликнул физик и будущий лауреат Нобелевской премии Исидор Айзек Раби, когда в 1936 году был открыт мюон. В 1975 году был обнаружен еще более массивный родственник в этом семействе лептонов, названный тау, с массой в 3477 раз больше массы электрона.)
Определение магнитных моментов лептонов, как теоретически, так и экспериментально, представляет собой вершину научного достижения. Магнитный момент электрона теперь известен с точностью до 11 значащих цифр с относительной точностью в одну часть на 10 триллионов. Удивительно, но теоретическое предсказание , рассчитанное с помощью диаграмм Фейнмана квантовой электродинамики (КЭД), согласуется с измеренным значением с точностью до 10 значащих цифр.
На таком уровне точности мюонные измерения позволят обнаружить любые отклонения от теории, которые могли бы представлять физику за пределами Стандартной модели.
Предсказание низшего порядка основано на КЭД, и для получения такой высокой точности требуется вычислить тысячи сложных диаграмм Фейнмана с помощью компьютеров. (Джулиан Швингер вошел в историю в 1948 году, когда вручную вычислил поправку низшего порядка к аномальному магнитному моменту электрона, α/2π, которая указана на его надгробии. Он использовал КЭД, но не диаграммы Фейнмана, используя свою собственную высокоаналитическую технику, которая больше не популярна.)
По сравнению с электроном, теория , предсказывающая аномальный магнитный момент мюона, отличается и более трудна для прогнозирования. Результат КЭД применим так же, как и для электрона (но с другой массой, конечно), с двумя дополнительными соображениями: вкладом электрослабой теории и вкладом адронов в Стандартной модели.
Первое означает включение эффектов от виртуальных бозонов Хиггса и обоих Z-бозонов, а второе — от виртуальных адронных петель, таких как протон, нейтрон и мезоны. Из-за своей большей массы мюон в 43 000 раз более чувствителен к новым частицам, которые могут появиться в физике за пределами Стандартной модели. (Возможности включают суперсимметрию, теорию струн и многое другое.)
Ограничения в теории возникают из-за адронного сектора расчета. Сотрудничество пишет: «В то время как вклады QED и электрослабого взаимодействия широко считаются непротиворечивыми, предсказание SM мюона g-2 ограничено нашими знаниями о вакуумных флуктуациях, включающих сильно взаимодействующие частицы, включающие эффекты, называемые адронной вакуумной поляризацией и адронным рассеянием света на свете». (Здесь «g-2» — аномальный магнитный момент).
Внутри накопительного кольца Fermilab каждые 1,4 секунды впрыскивается поток из восьми пучков мюонов, за которым следует та же картина примерно через 267 миллисекунд. Таким образом, каждый раз в накопительное кольцо доставляется около 100 000 положительных мюонов, 96% из которых имеют поляризованные спины. Данные были собраны в период с марта по июль 2019 года и с ноября 2019 года по март 2020 года. Эти второй и третий запуски содержали более чем в четыре раза больше данных, чем запуск 2018 года, и в целом данные охватывают три года.
Экспериментаторы внесли поправки на множество систематических факторов, которые в противном случае могли бы исказить результаты: несколько поправок на динамику пучка, который вращается вокруг накопительного кольца, такие как потери мюонов из-за конечной апертуры кольца, разброс мюонов кольца из-за ненулевого электрического поля, кратковременные возмущения магнитного поля из-за начала инжекции мюонов в кольцо и многое другое. Мюоны, подвергавшиеся случайным внезапным изменениям магнитного поля, пришлось отделить от данных.
Несмотря на то, что текущие данные улучшают точность более чем в два раза, группа в конечном итоге пришла к выводу, что сравнение с теорией пока невозможно. Даже для электронов необходимы некоторые предыдущие экспериментальные данные для корректировки теории адронных эффектов, и два эксперимента, доступные для этой корректировки, расходятся. Таким образом, высокое значение точности для магнитного момента мюона также ограничено.
Еще три года данных ждут анализа, который, как ожидает группа, приведет к повышению статистической точности (благодаря количеству измеренных мюонов) еще примерно в 2 раза.
