Американские физики близки к самому громкому открытию за полвека

На модерации Отложенный

Крошечная колеблющаяся частица, возможно, вот-вот откроет пятую силу природы, говорят ученые, стоящие за одним из крупнейших экспериментов по физике элементарных частиц.

Физики из Национальной ускорительной лаборатории Ферми, или Фермилаб, недалеко от Чикаго, нашли больше доказательств того, что мюон, субатомная частица, колеблется гораздо сильнее, чем следовало бы, — и они думают, это потому, что его толкает неизвестная сила.

Результаты основаны на предыдущем эксперименте, проведенном в 2021 году. Если они верны и теоретические противоречия вокруг этих измерений могут быть преодолены, то результаты представляют собой прорыв в физике, которого не было в течение 50 лет, когда утвердилась доминирующая теория, объясняющая субатомные частицы.

Другими словами, незначительное колебание мюона, известное как его магнитный момент, потенциально может поколебать сами основы науки.

"Мы действительно исследуем новую территорию, - сказал в заявлении Брендан Кейси, старший научный сотрудник Fermilab, который работает над экспериментом, известным как мюонный g-2. - Мы определили магнитный момент мюона с большей точностью, чем когда-либо прежде".

Мюоны, которые иногда называют "толстыми электронами", похожи на электроны, но в 200 раз тяжелее и радиоактивно нестабильны — распадаются всего за миллионные доли секунды на электроны и крошечные, призрачные частицы без заряда, известные как нейтрино. Мюоны также обладают свойством, называемым вращением, которое заставляет их вести себя так, как если бы они были крошечными магнитами, заставляя их колебаться подобно мини-гироскопам, когда они находятся в магнитном поле.

Чтобы исследовать колебания мюона, физики из лаборатории Фермилаба отправили частицы в полет вокруг сверхпроводящего магнитного кольца при температуре минус 268 градусов Цельсия со скоростью, близкой к скорости света — скорости, которая из-за релятивистского замедления времени продлевает короткую жизнь мюонов примерно в 3000 раз.

Посмотрев на то, как мюоны колебались, совершая тысячи кругов вокруг кольца диаметром 15 метров, физики собрали данные, свидетельствующие о том, что мюон колебался гораздо сильнее, чем следовало бы.

Объяснение, по словам ученых исследования, заключается в существовании чего-то, что еще не учитывается стандартной моделью - набором уравнений, объясняющих все субатомные частицы, который оставался неизменным с середины 1970-х годов.

Это таинственное нечто может быть совершенно неизвестной силой природы (известными четырьмя являются гравитационное, электромагнитное и сильное и слабое ядерные взаимодействия). В качестве альтернативы, это может быть неизвестная экзотическая частица или свидетельство нового измерения или неоткрытого аспекта пространства-времени. 

Но с какой стороны ни посмотри, данные физиков свидетельствуют о том, что нечто неизвестное подталкивает мюоны внутри кольца.

Однако полное подтверждение займет немного больше времени. Чтобы быть более уверенными, физики будут использовать все данные, собранные в ходе эксперимента g-2 с 2018 по 2023 год: текущий результат учитывает только данные за 2019 и 2020 годы. Во-вторых, им нужно будет дождаться теоретических предсказаний стандартной модели, чтобы наверстать упущенное.

В настоящее время существует два теоретических метода расчета того, каким должно быть колебание мюона в рамках стандартной модели. Эти два метода дают противоречивые прогнозы. Некоторые из этих расчетов, в том числе один, опубликованный на той же неделе, что и результаты эксперимента g-2 в 2021 году, придают гораздо большее значение теоретической неопределенности магнитного момента мюона, угрожая лишить эксперимент его физико-значимого значения.

К тому же, схожий эксперимент был проведен на ускорителя CMD-3 в Новосибирске. Расчет, с использованием этих данных, установили колебания мюонов в пределах нормы.

Исследователи Fermilab надеются, что полные результаты, которые, как они ожидают, будут готовы в 2025 году, могут быть достаточно точными, чтобы дать четкое представление.

Ученые представили свою работу для публикации в журнале Physical Review Letters; препринт результатов можно найти здесь.