Физики ограничили вклад еще не открытых бозонов в аномальный магнитный момент электрона


Физики ограничили вклад еще не открытых бозонов в аномальный магнитный момент электрона

Эксперимент NA64

CERN

Эксперимент NA64

в ЦЕРНе не увидел следов еще не открытых легких бозонов в процессе рассеяния

электрона высоких энергий на ядрах мишени, и тем самым ограничил возможный вклад

таких частиц в аномальный магнитный момент электрона. Кроме того, физики обновили верхние пороги на константу взаимодействия таких частиц с электроном. Точность

полученных ограничений на вклад бозонов в аномальный магнитный момент электрона

оказалась на порядок меньше той точности, с которой сейчас удается его измерять.

Это значит, что существование еще не открытых легких бозонов, взаимодействующих

с электроном, не позволяет объяснить отклонения магнитного момента электрона от

предсказаний Стандартной модели. Статья принята

к публикации в журнале Physical Review Letters,

а ее препринт доступен на сайте arxiv.org.

У электрона, как и у множества других частиц в рамках

Стандартной модели, есть собственный магнитный момент. Фактически это значит,

что с точки зрения магнитных свойств электрон — очень маленькая магнитная

стрелка с очень слабым собственным магнитным полем. В первом приближении этот

магнитный момент обусловлен спином частицы, причем величина этого магнитного

момента пропорциональна спину электрона с коэффициентом из фундаментальных

констант и так называемого g-фактора.

Согласно предсказаниям Дирака, которые ученый получил

еще в 1928 году, этот g-фактор

для фермионов (к ним, в частности, относится электрон) должен быть равен

двойке.

Позже, однако, стало ясно, что на самом деле это не так: на

магнитный момент фермионов также влияют и виртуальные частицы, которые в рамках

Стандартной модели непрерывно рождаются и исчезают парами в вакууме. В первом

порядке такое взаимодействие описывается однопетлевыми

диаграммами Фейнмана, а в случае электрона основной вклад в его магнитный момент

дает его взаимодействие с квантами электромагнитного поля, что приводит к

изменению его g-фактора

на тысячные доли. Для того чтобы в точности предсказать значение магнитного

момента фермиона нужно учесть его взаимодействие со всеми существующими в мире частицами.

Все эти вклады объединяют в так называемый аномальный магнитный момент, равный

полуразности реального магнитного момента частицы и предсказанной Дираком двойки.

Получается, что аномальный магнитный момент фермионов чувствителен

к существованию еще не открытых нами частиц: если измеренный магнитный момент с

хорошей точностью отличается от теоретических предсказаний, то это значит, что

теория что-то не учитывает. Такое открытие было бы доказательством Новой физики,

а в измерениях аномального магнитного момента мюона к такому открытию уже

приблизились вплотную: первые результаты эксперимент Moun g-2 действительно говорят о

существенном отличии предсказаний теории и измеренных значений магнитного момента

мюона. Подтверждение этого открытия позволило бы физикам косвенно доказать

существование еще не открытых тяжелых частиц, ведь сам мюон относительно тяжелый

и поэтому лучше взаимодействует с массивными полями.

Электрон, напротив, легкий по сравнению с мюоном, из-за чего основной вклад в его магнитный

момент вносит именно электромагнитное взаимодействие. Но и тут ученые находят

следы Новой физики: последние измерения аномального магнитного момента электрона

в экспериментах с разными методами дают разные результаты (1, 2), и оба

результата расходятся с предсказаниями

Стандартной модели (один из них — на 1.6σ

меньше, другой — на 2.4σ больше).

Это, в частности, может означать, что электрон взаимодействует с еще не открытыми

легкими бозонами, которые и влияют на его собственный магнитный момент.

Физики ограничили вклад еще не открытых бозонов в аномальный магнитный момент электрона

Однопетлевые диаграммы Фейнмана, описывающие взаимодействие электрона со скалярным (S), псевдоскалярным (P), векторным (V) и псевдовекторным (A) бозоном.

The NA64 Collaboration / arxiv.org, 2021

Именно эту гипотезу и проверили участники эксперимента N64 в ЦЕРНе. В рамках этого

эксперимента ученые сталкивали электроны с энергией 100 гигаэлектронвольт с фиксированной

мишенью и следили за процессом рассеяния электронов на ядрах. Предполагается,

что именно в таком взаимодействии могут рождаться легкие бозоны

неизвестной природы, которые невидимы для детекторов, но о присутствии которых

можно судить по унесенной ими энергии. Поэтому исследователи тщательно измеряли

энергию всех продуктов такой реакции и проверяли, что в эксперименте не

наблюдается «пропавшей» энергии. Для этого ученые создали модель фона в

используемой установке и проанализировали данные за три года работы эксперимента,

в ходе которых было зарегистрировано 284 миллиарда столкновений электронов с

ядрами мишени.

Физики ограничили вклад еще не открытых бозонов в аномальный магнитный момент электрона

Полученные ограничения на константу взаимодействия невидимых в эксперименте легких бозонов с электроном.

The NA64 Collaboration / arxiv.org, 2021

В результаты физики не смогли обнаружить в данных следов существования

неизвестных науке скалярных, псевдоскалярных, векторных или псевдовекторных бозонов

с массой меньше 1 гигаэлектронвольта. Эти наблюдения они использовали для того,

чтобы определить максимально возможную константу взаимодействия электрона с еще не открытыми бозонами: оказалось, что накопленных данных достаточно, чтобы

практически на порядок усилить ранее полученные ограничения. Кроме того, ученые

оценили вклад, который такие бозоны могут вносить в суммарное значение

аномального магнитного момента электрона. Полученные пороги почти на всем

диапазоне энергий оказались на порядок меньше значений, найденных в

экспериментах по прямому измерению аномального магнитного момента электрона.

Это значит, что существование еще не открытых легких бозонов не в состоянии объяснить

наблюдаемые отклонения экспериментальных данных от предсказаний Стандартной

модели. Тем не менее, ученые отмечают высокую точность эксперимента NA64, которая уже превысила

таковую у экспериментов по прямым измерениям магнитных моментов частиц. По мнению

физиков, в будущем это позволить расширить область поиска следов Новой физики

на этой экспериментальной установке.

Физики ограничили вклад еще не открытых бозонов в аномальный магнитный момент электрона

Полученные ограничения на вклад легких бозонов в аномальный магнитный момент электрона

The NA64 Collaboration / arxiv.org, 2021

Следы Новой физики во взаимодействиях с

электронами ищут и не только с помощью измерений аномального магнитного

момента. К примеру, ранее мы рассказывали о том, как физики нашли следы существования

темного бозона в переходах электрона между энергетическими уровнями изотопов

иттербия.

Никита Козырев

Источник: nplus1.ru



Логотип Labuda.blog
Авторизоваться с помощью: 
Яндекс.Метрика