На протяжении десятилетий физики всего мира были заинтригованы загадочным расхождением в поведении мюона — нестабильной субатомной частицы, напоминающей электрон, но превосходящей его по массе примерно в 200 раз. Это несоответствие, впервые зафиксированное более 60 лет назад, касалось измерений магнитного момента частицы, которые никак не вписывались в предсказания Стандартной модели — общепринятой теоретической базы, описывающей фундаментальные частицы и взаимодействия во Вселенной. Многие исследователи возлагали надежды на то, что данная аномалия служит указанием на существование неоткрытых частиц или даже на проявление новой, «пятой силы», которая могла бы дополнить четыре уже известных фундаментальных взаимодействия.
Однако, как выяснилось, эти ожидания были преждевременными. Международная коллаборация ученых, возглавляемая исследователями из Пенсильванского университета, представила сенсационные результаты, опубликованные в авторитетном журнале Nature. Их работа, описанная как один из самых точных расчетов в истории физики элементарных частиц, демонстрирует, что долгожданное противоречие между теорией и экспериментом, скорее всего, было порождено не скрытыми законами природы, а ограничениями, присущими более ранним вычислительным моделям. Таким образом, вместо подтверждения «новой физики» ученые получили убедительное доказательство в пользу уже существующей парадигмы.
Крах многолетних ожиданий: точность вычислений развеяла иллюзию
«За последние шесть десятилетий было выполнено множество расчетов, и по мере их усложнения все они неизменно указывали на несоответствие и на новое взаимодействие, способное перевернуть устоявшиеся законы физики, — прокомментировал Золтан Фодор, заслуженный профессор физики Пенсильванского университета и ведущий автор исследования. — Мы же применили принципиально новый метод для оценки этой меры расхождения и обнаружили, что его попросту не существует. Того самого нового взаимодействия, на которое мы так надеялись, просто нет. Старые, хорошо известные взаимодействия способны полностью объяснить наблюдаемую величину».
Команда исследователей потратила более десяти лет на кропотливое уточнение своих вычислений, стремясь достичь беспрецедентной точности. Итоговый результат, по их словам, не оставляет камня на камне от прежних гипотез: загадка магнитного момента мюона, долгое время будоражившая умы физиков и намекавшая на скрытую пятую силу, окончательно рухнула под натиском самых точных вычислений, когда-либо проводившихся в этой области. Представление художника о тайне магнитного момента мюона, где субатомная частица видна на фоне электрона и обозначена греческой буквой мю, теперь обретает новое, лишенное мистики объяснение.
результат привел к предсказаниям и экспериментальным измерениям, связанным с менее половиной стандартного отклонения. По словам Фодора, новая работа соответствует Стандартной модели до 11 знаков после пятой и значительно сужает вероятность того, что в этом конкретном влиянии скрывается неизвестная физика.
«Люди спрашивает меня, каково это сделать это открытие, и, честно говоря, мне немного грустно», — сказал он. — сказал Фодор. «Когда мы начали рассчитывать на эту огромную силу, мы думали, что получим хорошие и заслуживающие доверия расчеты для новой пятой. Вместо этого мы обнаружили, что пятой силы не существует. Мы нашли очень точные доказательства не только Стандартной модели, но и поля квантовой теории, на основе которой была построена Стандартная модель».
Странное магнитное поведение мюона
Исследование было основано на свойстве, известном как магнитный момент мюона, который описывает, насколько сильно частицы действуют как крошечный магнит. Квантовая теория предсказывает, что это значение должно быть равняться ровно по горизонтали, что отражает связь между переменными частицами и окружает ее магнитным полем.
Однако в других экспериментах значение немного меняется, потому что другие частицы ненадолго механизированы и исчезают в пустом пространстве, слегка влияя на поведение мюона. Это крошечное отклонение известно как «аномальный магнитный момент». или г&минус;2.
Поскольку мюоны гораздо тяжелее электронов, они особенно чувствительны к этим мимолетным квантовым эффектам. Эта чувствительность сделала мюон g−2 одним из наиболее тщательно изучаемых измерений в современной физике.
Эксперименты, проведенные в ЦЕРН в 1960-х и 1970-х годах, позже в Брукхейвенской национальной лаборатории и совсем недавно в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми, все они измеряли магнитный момент мюона с поразительной вероятностью. Эти эксперименты недавно были удостоены премии за прорыв в фундаментальной физике, одной из самых престижных научных наград в мире.
В течение многих лет экспериментальные измерения оставались несовместимыми с предсказаниями Стандартной модели, что увеличивало надежду на то, что на мюон может повлиять что-то совершенно новое.
Почему сильная сила усложнила проблему
Проблема расчета поведения мюона во многом заключалась в сильном взаимодействии, наиболее мощном из четырех известных фундаментальных взаимодействий. Сильное взаимодействие связывает кварки внутри протонов, нейтронов и других частиц.
В отличие от гравитации или электромагнетизма, сильное взаимодействие становится сильнее по мере того, как частицы движутся дальше друг от друга, согласно стандарту резиновой ленты, которая растягивается тем сильнее, чем сильнее ее натягивают. Попытка отдельных частиц, связанных со значительным взаимодействием, дает так много энергии, что в ходе этого процесса может образоваться совершенно новые частицы. Эти дополнительные части еще больше усложняют расчеты.
Из-за этой чрезвычайной сложности точное предсказание поведения мюона в рамках Стандартной модели остается одной из самых сложных проблем в физике элементарных частиц.
Суперкомпьютеры и решеточная квантовая хромодинамика
Для решения этой проблемы исследователи использовали решеточную квантовую хромодинамику — вычислительную технику, которая моделирует сильное взаимодействие с гигантскими суперкомпьютерами. Этот метод делит пространство и время на чрезвычайно мелкую сетку или решетку, что позволяет ученым в значительной степени решать уравнения, управляющие взаимодействием частиц.
«Старая методология заключалась в сборе тысяч экспериментальных результатов и результатов их нового результата, чтобы получить расчетную величину — магнитный момент мюона», — сказал он. — сказал Фодор. «Наш подход был совершенно другим. Мы разделили пространство-время на очень маленькие ячейки, решетку, а затем решили на их основе уравнение Стандартной модели. За теоретическими расчетами стояло огромное количество теорий, математики, программирования, вычислительных знаний и компьютерной конструкции».
В последнее десятилетие решеточные расчеты стали все более мощными, но точность, необходимая для расчета мюонного g−2, по-прежнему была исключительно труднодостижимой. Поэтому наша компания использовала несколько подходов.
Они использовали решеточные расчеты для условий и средних расстояний между ячейками, в то же время используя высоконадежные экспериментальные измерения для больших расстояний, где данные условия уже полностью согласованы. Эта гибридная стратегия учитывает неопределенность более эффективно, чем использование любого из методов по отдельности.
Исследователи также смоделировали уравнение, используя более мелкую решетку, чем в предыдущих исследованиях, что еще больше повысило точность и уменьшило ошибки применения.
Окончательный расчет представляет собой наиболее точное определение магнитного момента мюона. Когда оно включено в полное предсказание Стандартной модели, давние разногласия с экспериментами практически исчезают.
«Предсказание электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий, каждое из которых требует совершенно разных концептуальных инструментов, в едином расчете с участием частей на миллиард», — сказал он. — сказал Фодор. «Это показывает, что мы действительно понимаем, как устроена природа, на невероятно глубоком уровне».
Что означает результат для физики
По данным наблюдения, полученные результаты не исследуют полностью возможность неоткрытой физики. Однако один из наиболее убедительных эффективных ключей, выходящих за рамки Стандартной модели, теперь стал гораздо менее убедительным.
Будущие эксперименты, возможно, еще откроют доказательства существования новых частиц или сил в других местах, но на данный момент Стандартная модель вы продолжаете пристальное внимание.
«Мы не получили пятую силу, но мы получили очень хорошее и, вероятно, лучшее доказательство квантовой теории, которая лежит в основе всего нашего понимания самых фундаментальных вопросов природы», — сказал он. — сказал Фодор.
Часть исследований, проведенных в штате Пенсильвания, была поддержана Министерством энергетики США и низким исследовательским советом.