Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона


Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона

Muon g – 2 collaboration / Physical Review Letters, 2021

Эксперимент Muon g-2 в

Фермилаб, который должен с высокой точностью измерить значение аномального

магнитного момента мюона, представил первые результаты. Полученное значение совпало

с результатами аналогичного эксперимента E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории, а вместе два измерения

отличаются от предсказаний Стандартной модели со статистической точностью в 4,2σ. Такое отклонение от

теории при дальнейшем уменьшении погрешности измерений может указать на существование еще

не открытых частиц или сил в рамках Новой физики. Ученые рассказали

о первых результатах на семинаре, а статья с подробным описанием эксперимента опубликована

в журнале Physical Review Letters.

Большинство частиц в рамках Стандартной модели обладают

собственным магнитным моментом, то есть с точки зрения магнитных свойств такие

частицы в грубом приближении можно рассматривать как маленький магнит. Существование

собственного магнитного момента обусловлено в первую очередь спином частицы:

для электрона его значение было

предсказано с высокой точностью еще в 1928 году. Согласно этим

предсказаниям, в выражении магнитного момента электрона через спин должен

фигурировать так называемый g-фактор, равный 2. Однако впоследствии (во многом благодаря изучению явления сверхтонкой

структуры) физикам стало понятно, что вклад в магнитный момент электрона дает и

его взаимодействие с квантами электромагнитного поля. Такое взаимодействие приводит

к изменению фактического значения g-фактора на тысячную долю, но именно такое отклонение впоследствии

было с высокой точностью измерено в эксперименте.

Аналогичные размышления применимы и для мюона — еще одного

лептона, который в 207 раз тяжелее электрона. В этом случае, однако, нельзя ограничиться

вкладом электромагнитного взаимодействия в его собственный магнитный момент. Именно

большая масса мюона приводит к тому, что на его магнитное поле начинает влиять

взаимодействие с массивными полями, в частности — с парами виртуальных массивных

частиц, которые непрерывно рождаются и аннигилируют в вакууме. На языке диаграмм

Фейнмана такое взаимодействие в первом порядке описывается с помощью однопетлевых

диаграмм. Стандартная модель с учетом всех входящих в нее частиц позволяет предсказать

вклад этих процессов в магнитный момент мюона. Поэтому физикам было интересно

измерить аномальный магнитный момент мюона (который определяется как разность g-фактора

мюона и 2, деленная

пополам), ведь отклонение измерений от теоретических предсказаний могло бы указать

на то, что мюон взаимодействует с неизвестными Стандартной модели массивными

частицами или посредством неизвестных этой теории сил. Таким образом, отклонение

аномального магнитного момента мюона от ожидаемого значения фактически подтверждало бы

существование Новой физики.

Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона

Однопетлевые диаграммы Фейнмана, описывающие вклад квантовой электродинамики (первая) и массивных частиц (остальные) в магнитный момент мюона

Muon g – 2 collaboration / Physical Review Letters, 2021

Первые точные эксперименты по измерению аномального

магнитного момента мюона провели

в ЦЕРНе, но настоящий фурор произвели окончательные результаты эксперимента E821 в Брукхейвенской

национальной лаборатории, опубликованные в 2006 году. Измеренное тогда значение

с учетом погрешности отличалось

от современных предсказаний Стандартной модели со статистической точностью в

3,7σ, что уже говорит

об очень заметном отклонении. Но такой точности не хватало для официального

открытия, и было принято решение о создании аналогичной установки в Фермилаб,

где уже умели создавать поляризованные пучки мюонов высокой плотности. Так

появился эксперимент Muon g-2 в его последней вариации, который унаследовал от своего предшественника не только

методологию, но и основную часть установки: из Лонг-Айленда в Чикаго перевезли кольцо

сверхпроводящего магнита.

Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона

Экспериментальная установка Muon g – 2

Reidar Hahn / Fermilab

Теперь же участники эксперимента Muon g-2, физики из институтов США, Италии, Германии, Китая, Британии и других стран, в том числе российских ОИЯИ и ИЯФ имени Будкера, представили первые измерения аномального магнитного момента мюона, которые подтвердили результаты E821: полученное

значение в пределах погрешности совпадает с измерениями Брукхейвенской

национальной лаборатории и расходится с предсказаниями Стандартной модели со

статистической точностью в 3,3σ.

Относительная погрешность измерений составила 0,46 миллионных частей, а вместе

два упомянутых результата дают значение с погрешностью в 0,35 миллионных частей

и отличаются от предсказаний теории со статистической точностью в 4,2σ. Это значит, что такие

данные укладываются в Стандартную модель с вероятностью в один случай из примерно

40 тысяч.

Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона

Результаты измерений и их отклонение от предсказаний Стандартной модели

Muon g – 2 collaboration / Physical Review Letters, 2021

Сам эксперимент, как и E821, основан на том, что частица с аномальным магнитным моментом

при попадании в магнитное поле начинает прецессировать подобно юле. Причем

частота этой прецессии непосредственно зависит от величины аномального магнитного

момента частицы. Сам мюон, в свою очередь, является нестабильной частицей, а в

ходе его распада рождается электрон, причем направление его вылета зависит от

ориентации мюона в пространстве. Этим и воспользовались экспериментаторы: они запускали

поляризованные пучки мюонов с энергией в 3,1 гигаэлектронвольт в кольцо с крайне

стабильным магнитным полем в 1,45 тесла и измеряли распределения вылета

электронов в ходе распада мюонов. За самим магнитным полем физики следили с помощью

эффекта магнитного ядерного резонанса, наблюдая за поведением изолированных в

водной защите протонов. Такая техника позволяла проводить непрерывную

калибровку измерений и достигнуть такой относительной точности полученных результатов.

Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона

Колебания в регистрации позитронов, рожденных в ходе распада прецессирующих мюонов

Muon g – 2 collaboration / Physical Review Letters, 2021

В ходе представленного анализа использовались данные только

первого сеанса работы эксперимента, после окончания которого в установку были

внесены улучшения: увеличилась стабильность системы подачи пучка мюонов в

магнит и уменьшились колебания температуры, влияющие на колебания магнитного поля.

По мнению ученых, все это говорит о том, что в ходе следующих сеансов статистическая

точность отклонения результатов от предсказаний Стандартной модели будет

увеличиваться, а значит у физиков появится доказательство существования Новой

физики. Полученные результаты, по словам экспериментаторов, должны подтолкнуть

теоретиков к созданию расширений Стандартной модели с новыми полями и частицами

с сильным взаимодействием с лептонами.

Магнитный момент с высокой точностью измеряют не только у

мюона: ранее мы рассказывали о том, как физики с высокой точностью измерили отличия

магнитного момента протона и антипротона. А отклонения от Стандартной модели

все чаще находят в

процессах с участием B-мезонов.

Никита Козырев

Источник: nplus1.ru



Логотип Labuda.blog
Авторизоваться с помощью: 
Яндекс.Метрика