Новая оценка напряженности магнитного поля мюона соответствует стандартной модели

Новая оценка напряженности магнитного поля вокруг мюона — субатомной частицы, похожей на электрон, но тяжелее его, закрывает разрыв между теорией и экспериментальными измерениями, приводя ее в соответствие со стандартной моделью, которая десятилетиями руководила физикой элементарных частиц.

Статья, описывающая исследования международной группы ученых, опубликована в журнале Nature.

Двадцать лет назад, в эксперименте в Брукхейвенской национальной лаборатории, физики обнаружили то, что казалось несоответствием между измерениями «магнитного момента» мюона — силы его магнитного поля и теоретическими расчетами того, каким должно быть это измерение, поднимая дразнящую возможность физических частиц или сил, еще не открытых.

Новое открытие уменьшает это несоответствие, предполагая, что магнетизм мюона, скорее всего, вовсе не загадочен. Чтобы достичь этого результата, вместо того, чтобы полагаться на экспериментальные данные, исследователи моделировали каждый аспект своих вычислений с нуля — задача, требующая огромных суперкомпьютерных мощностей.

«Большинство явлений в природе может быть объяснено тем, что мы называем «стандартной моделью физики элементарных частиц», — сказал Золтан Фодор, профессор физики в Пенсильванском университете и руководитель исследовательской группы. «Мы можем предсказать свойства частиц чрезвычайно точно, основываясь только на этой теории, поэтому, когда теория и эксперимент не совпадают, мы можем взволноваться, что мы, возможно, нашли что-то новое, что-то за пределами стандартной модели.»

Для открытия новой физики, выходящей за рамки стандартной модели, существует консенсус среди физиков, что расхождение между теорией и измерением должно достигать пяти сигм — статистической меры, которая приравнивается к вероятности примерно 1 к 3,5 миллионам.

В случае мюона, измерения его магнитного поля отклонялись от существующих теоретических предсказаний примерно на 3,7 сигмы. Интригующе, но недостаточно, чтобы объявить об обнаружении нового прорыва в правилах физики. Таким образом, исследователи намеревались улучшить как измерения, так и теорию в надежде либо примирить теорию и измерение, либо увеличить сигму до уровня, который позволил бы объявить об открытии новой физики.

-Существующая теория оценки напряженности магнитного поля мюона опиралась на экспериментальные измерения электрон-позитронной аннигиляции, — говорит Золтан Фодор. «Чтобы иметь другой подход, мы использовали проверенную теорию, которая была полностью независима от опоры на экспериментальные измерения. Мы начали с довольно простых уравнений и построили всю оценку с нуля.»

Новые вычисления потребовали сотен миллионов процессорных часов в нескольких суперкомпьютерных центрах Европы и привели теорию в соответствие с измерениями. Однако история еще не закончилась. Вскоре ожидаются новые, более точные экспериментальные измерения магнитного момента мюона.

«Если наши расчеты верны и новые измерения не изменят историю, то, похоже, нам не нужна новая физика для объяснения магнитного момента мюона — он следует правилам стандартной модели», — говорят исследователи. «Хотя перспектива новой физики всегда заманчива, также интересно видеть, как теория и эксперимент совпадают. Она демонстрирует глубину нашего понимания и открывает новые возможности для исследования.»

«Наши результаты должны быть перепроверены другими группами, и мы ожидаем их», — говорит Золтан Фодор. — Кроме того, наше открытие означает, что существует противоречие между предыдущими теоретическими результатами и нашими новыми. Это несоответствие следует понять. Кроме того, новые экспериментальные результаты могут быть близки к старым или ближе к предыдущим теоретическим расчетам. Впереди у нас много лет волнений.»

Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03418-1