Магнитный момент — это внутреннее свойство частицы со спином, возникающее в результате взаимодействия частицы с магнитом или другим объектом с магнитным полем. Подобно массе и электрическому заряду, магнитный момент является одной из фундаментальных величин физики.

Существует разница между теоретическим значением магнитного момента мюона — частицы, принадлежащей к тому же классу, что и электрон, — и значениями, полученными в высокоэнергетических экспериментах, проводимых на ускорителях частиц . Разница проявляется только в восьмом десятичном знаке, но ученые были заинтригованы ею с момента ее открытия в 1948 году.

Это не деталь: она может указывать на то, взаимодействует ли мюон с частицами темной материи или другими бозонами Хиггса или даже участвуют ли в этом процессе неизвестные силы.

Теоретическое значение магнитного момента мюона, обозначаемого буквой g, определяется уравнением Дирака, сформулированным английским физиком, лауреатом Нобелевской премии 1933 года Пауло Дираком (1902–1984), одним из основоположников квантовой механики и квантовой электродинамики. как 2. Однако эксперименты показали, что g не равно 2, и существует большой интерес к пониманию «g-2», то есть разницы между экспериментальным значением и значением, предсказанным уравнением Дирака.

Наилучшее экспериментальное значение, доступное в настоящее время, полученное с впечатляющей степенью точности в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми в США и объявленное в августе 2023 года, составляет 2,00116592059 с диапазоном неопределенности плюс-минус 0,00000000022. Информацию об эксперименте Muon G-2, проведенном в Фермилабе.

«Точное определение магнитного момента мюона стало ключевым вопросом в физике элементарных частиц, поскольку исследование этого разрыва между экспериментальными данными и теоретическими предсказаниями может предоставить информацию, которая может привести к открытию какого-то впечатляющего нового эффекта», — физик Диого Бойто, Профессор Института физики Сан-Карлоса Университета Сан-Паулу (IFSC-USP), сообщил агентству FAPESP.

Статья Бойто и соавторов на эту тему опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Наши результаты были представлены на двух важных международных мероприятиях. Сначала я во время семинара в Мадриде, Испания, а затем мой коллега Маартен Гольтерман из государственного университета Сан-Франциско на встрече в Берне, Швейцария», — сказал Бойто.

Эти результаты дают количественную оценку и указывают на причину расхождения между двумя методами, используемыми для текущих предсказаний мюона g-2.

«В настоящее время существует два метода определения фундаментального компонента g-2. Первый основан на экспериментальных данных, а второй — на компьютерном моделировании квантовой хромодинамики, или КХД, теории, изучающей сильные взаимодействия между кварками. Эти два метода производят совершенно другие результаты, и это является серьезной проблемой. Пока она не будет решена, мы не сможем исследовать вклад возможных экзотических частиц, таких как новые бозоны Хиггса или темная материя, например, в g-2″, — пояснил он.

В исследовании удалось объяснить это несоответствие, но чтобы понять его, нам нужно сделать несколько шагов назад и начать заново с несколько более детального описания мюона.

Мюон — частица, принадлежащая к классу лептонов, как и электрон, но имеющая гораздо большую массу. По этой причине он нестабилен и выживает лишь очень короткое время в контексте высоких энергий. Когда мюоны взаимодействуют друг с другом в присутствии магнитного поля , они распадаются и перегруппировываются в облако других частиц, таких как электроны, позитроны, W- и Z-бозоны, бозоны Хиггса и фотоны.

Поэтому в экспериментах мюоны всегда сопровождаются множеством других виртуальных частиц. Их вклады делают реальный магнитный момент, измеренный в экспериментах, больше теоретического магнитного момента, рассчитанного по уравнению Дирака, который равен 2.

«Чтобы получить разницу [г-2], необходимо учитывать все эти вклады — как те, которые предсказываются КХД [в Стандартной модели физики элементарных частиц], так и другие, которые меньшие, но появляются в высокоточных экспериментальных измерениях. Мы знаем несколько этих вкладов очень хорошо, но не все», — сказал Бойто.

Эффекты сильного взаимодействия КХД не могут быть рассчитаны только теоретически, поскольку в некоторых энергетических режимах они неосуществимы, поэтому есть две возможности. Один используется уже некоторое время и предполагает обращение к экспериментальным данным, полученным в результате электрон-позитронных столкновений, которые создают другие частицы, состоящие из кварков. Другой — решеточная КХД, которая стала конкурентоспособной только в текущем десятилетии и предполагает моделирование теоретического процесса на суперкомпьютере.

«Основная проблема с предсказанием мюона g-2 сейчас заключается в том, что результат, полученный с использованием данных электрон-позитронных столкновений, не согласуется с общим экспериментальным результатом, в то время как результаты, основанные на решеточной КХД, согласуются. Никто не был уверен, почему, и наше исследование проясняет часть этой загадки», — сказал Бойто.

Он и его коллеги провели свои исследования именно для решения этой проблемы. «В статье сообщаются результаты ряда исследований, в которых мы разработали новый метод сравнения результатов моделирования решеточной КХД с результатами, основанными на экспериментальных данных. Мы показываем, что из данных можно извлечь вклады, которые рассчитываются в решетку с большой точностью — вклад так называемых связных диаграмм Фейнмана», — сказал он.

Американский физик-теоретик Ричард Фейнман (1918–1988) получил Нобелевскую премию по физике 1965 года (вместе с Джулианом Швингером и Шинитиро Томонагой) за фундаментальные работы в области квантовой электродинамики и физики элементарных частиц. Диаграммы Фейнмана, созданные в 1948 году, представляют собой графическое представление математических выражений, описывающих взаимодействие таких частиц, и используются для упрощения соответствующих расчетов.

«В ходе исследования мы впервые с большой точностью получили вклады связанных диаграмм Фейнмана в так называемое «промежуточное энергетическое окно». Сегодня у нас есть восемь результатов для этих вкладов, полученных с помощью решеточного моделирования КХД, и Все они в значительной степени согласуются. Более того, мы показываем, что результаты, основанные на данных о электрон-позитронном взаимодействии, не согласуются с этими восемью результатами моделирования», — сказал Бойто.

Это позволило исследователям найти источник проблемы и подумать о возможных решениях. «Стало ясно, что если экспериментальные данные для двухпионного канала по каким-то причинам занижены, то это может быть причиной расхождения», — сказал он. Пионы — это мезоны — частицы, состоящие из кварка и антикварка, образующиеся в результате столкновений при высоких энергиях.

Фактически, новые данные (все еще рецензируемые) эксперимента CMD-3, проведенного в Новосибирском государственном университете в России, по-видимому, показывают, что самые старые данные о двухпионном канале могли быть по какой-то причине недооценены.