- 28,712
- 46
- 8 Ноя 2022
Физики 25 лет искали новую частицу в поведении мюона. Нашли кое-что хуже.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Четверть века физики пытались понять, почему мюон ведёт себя в магнитном поле чуть иначе, чем предсказывает теория. Расхождение составляло примерно одну миллионную, но для физики элементарных частиц даже столь малая разница могла указывать на неизвестные силы или частицы. В 2021 году загадка будто исчезла : новый способ расчёта совпал с экспериментом с точностью до одной десятимиллиардной. Вместо ответа учёные получили другую проблему. Старый расчёт тоже выглядел правильным, поскольку опирался на реальные измерения. Теперь физикам приходится выяснять, почему два надёжных подхода приводят к разным результатам.
Мюон напоминает электрон, но значительно тяжелее. Частица обладает собственным вращательным моментом, который в квантовой механике называют спином. Заряженный мюон ведёт себя как крошечный магнит. Если поместить его в магнитное поле, направление спина начинает медленно поворачиваться вокруг линии поля. Подобное движение называют прецессией. Нечто похожее происходит с наклонённым волчком: ось вращения не остаётся неподвижной, а описывает круг.
Скорость прецессии зависит от безразмерной величины, которую называют g-фактором. Для полностью изолированного мюона значение равнялось бы ровно двум. Однако пустого пространства в квантовом мире не существует. Вокруг частицы постоянно возникают и почти сразу исчезают краткоживущие квантовые возбуждения. Мюон испускает виртуальные фотоны, те порождают другие частицы, а затем вся цепочка снова поглощается. Детекторы не успевают зарегистрировать подобные промежуточные состояния напрямую, но они немного меняют движение мюона.
Из-за квантовых поправок g-фактор становится чуть больше двух. Разницу обозначают как g−2. На величину отклонения влияют все известные частицы и фундаментальные взаимодействия, поэтому сверхточное измерение g−2 позволяет проверить, всё ли учтено в современной теории. Необъяснимый избыток мог бы означать, что на мюон действует частица, которой пока нет в Стандартной модели. Среди возможных кандидатов рассматривали и частицы, связанные с тёмной материей .
Первый громкий результат появился в 2001 году. Эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории показал, что мюон прецессирует немного быстрее теоретического прогноза. Чтобы перепроверить измерение, физики подготовили более точный эксперимент в лаборатории Fermilab . Огромное магнитное кольцо диаметром около 15 метров перевезли из штата Нью-Йорк в Иллинойс по морю, рекам и автомобильным дорогам. Новая установка должна была собрать намного больше данных и уменьшить погрешность.
Параллельно физики уточняли теоретическое значение g−2. Для трёх из четырёх фундаментальных взаимодействий задача решается сравнительно хорошо. Вклад гравитации настолько мал, что им можно пренебречь. Электромагнитное и слабое взаимодействия рассчитывают стандартными методами квантовой теории поля. Главные трудности создаёт сильное взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протонов, нейтронов и других составных частиц.
На малых энергиях кварки взаимодействуют настолько сильно, что обычное разложение по небольшим поправкам перестаёт работать. Физики не могут просто вычислить каждую возможную цепочку с нужной точностью. Для оценки вклада сильного взаимодействия появились два основных подхода. Первый использует данные с ускорителей, второй моделирует поведение кварков на вычислительной решётке.
Метод, основанный на данных, опирается на столкновения электронов и позитронов. Позитрон служит античастицей электрона. При встрече обе частицы аннигилируют, а их энергия превращается в новые частицы, включая состояния из кварков. Чем чаще в подобных столкновениях рождаются определённые кварковые комбинации, тем сильнее связанные с ними процессы должны влиять на движение мюона.
Особенно важны пионы, лёгкие составные частицы из кварка и антикварка. Ускорители измеряют, как часто электрон-позитронные столкновения порождают пары пионов. Затем физики переводят частоту рождения в поправку к g−2. Такой путь называют расчётом на основе экспериментальных данных, поскольку влияние сильного взаимодействия выводят не только из формул, но и из измеренных сечений реакции.
В июне 2020 года международная группа собрала доступные данные и опубликовала уточнённый прогноз. В апреле 2021 года Fermilab представила новое измерение. Разница между экспериментом и прогнозом оказалась почти достаточно большой, чтобы физики заговорили об открытии нового явления. По принятым в отрасли правилам для подобного заявления нужна вероятность случайного совпадения меньше примерно одного случая на 3,5 миллиона. Результат приблизился к границе, но не пересёк её.
В тот же день появился другой расчёт, который почти полностью снял расхождение. Его выполнили с помощью решёточной квантовой хромодинамики, или решёточной КХД. Квантовая хромодинамика описывает сильное взаимодействие, а решёточный метод заменяет непрерывные пространство и время набором дискретных точек. Компьютер рассчитывает поведение кварков и глюонов на подобной сетке, а затем физики постепенно уменьшают размер ячеек и приближаются к реальному непрерывному миру.
Принцип напоминает прогноз погоды. Невозможно отследить каждое движение каждой молекулы воздуха, поэтому атмосферу делят на объёмные ячейки и вычисляют средние изменения внутри каждой области. В решёточной КХД пространство тоже разбивают на сетку, но вместо температуры, давления и ветра программа моделирует квантовые поля кварков и глюонов.
Точная симуляция требует одновременно большой и очень мелкой решётки. Частицы с низкой энергией распределяются на значительном расстоянии, поэтому вычислительная область должна охватывать большой объём. Высокоэнергетические процессы происходят на малых масштабах и требуют крошечных ячеек. Совместить оба требования долгое время не позволяли вычислительные мощности и несовершенные методы расчёта.
Работа над решёточным прогнозом началась ещё в 2014 году. Первые результаты уступали методу на основе данных по точности примерно в 10 раз. За следующие годы физики разработали более эффективные вычислительные приёмы и получили доступ к мощным суперкомпьютерам. К 2021 году расчёт достиг точности, сопоставимой с ускорительными измерениями.
Решёточная КХД показала, что мюон вращается именно так, как должна предсказывать Стандартная модель. Позднее независимые группы получили близкие результаты. Для многих физиков первоначальная загадка g−2 после этого потеряла остроту: известные частицы и взаимодействия могли полностью объяснить дополнительную прецессию.
Однако старый расчёт никуда не исчез. Метод на основе данных строился на реальных столкновениях электронов и позитронов, а значит, причина расхождения могла скрываться не в теории, а в самих измерениях рождения пионов. Физики начали заново сравнивать результаты разных ускорителей и обнаружили новую странность.
В Новосибирске работает электрон-позитронный коллайдер VEPP-2000. Установка разгоняет частицы до энергий примерно в 6000 раз ниже, чем Большой адронный коллайдер, но высокая энергия здесь не нужна. VEPP-2000 предназначен для точного изучения процессов, в которых рождаются лёгкие составные частицы.
На коллайдере установлены два независимых детектора. Они считают, как часто после аннигиляции электрона и позитрона появляются пионы. Подобные измерения десятилетиями использовали для расчёта вклада сильного взаимодействия в g−2 мюона.
В 2010 году один из детекторов полностью заменили . Новая аппаратура собрала более точные данные, опубликованные в 2023 году. Частота рождения пионов заметно отличалась от прежних результатов той же установки. Разница оказалась слишком большой, чтобы списать её на небольшое улучшение точности или случайное колебание.
Ранее физики уже замечали, что измерения из Италии и США постепенно расходятся. Новые данные VEPP-2000 усилили проблему: обновлённый детектор не просто разошёлся с другими экспериментами, но и показал иной результат по сравнению со своим предшественником. Проверки пока не выявили ошибок в калибровке, обработке или устройстве эксперимента.
В 2024 году физики рассчитали частоту рождения пионов с помощью решёточной КХД. Полученный результат в основном совпал с новым измерением VEPP-2000. Предварительные данные второго детектора на том же коллайдере также указывают на новую, более высокую или иначе распределённую частоту рождения пионов.
Одновременно анализ старых данных американского эксперимента BaBar, опубликованный в 2023 году, хорошо согласуется с прежними измерениями. Таким образом, одни эксперименты поддерживают старую картину, другие подтверждают новую. Разделить результаты по простому признаку не получается: установки использовали разные методы, работали в разных странах и собирали данные в разные годы.
Разногласие может иметь две причины. Первая связана с незамеченными особенностями экспериментов. Детекторы по-разному восстанавливают траектории частиц, учитывают излучение до и после столкновения, отделяют полезные события от фона и корректируют эффективность регистрации. Небольшая систематическая ошибка в одной из процедур способна сместить итоговую частоту рождения пионов.
Вторая возможность гораздо интереснее: в столкновениях могут участвовать неизвестные частицы или взаимодействия. Они способны изменить рождение пионов так, что разные методы измерения будут давать несовместимые результаты. Пока данных недостаточно, чтобы выбрать подобное объяснение, но полностью исключить новую физику тоже нельзя.
Теперь центральный вопрос касается уже не поведения мюона. Физикам нужно понять, какая частота рождения пионов верна: старая, подтверждённая десятилетиями измерений, или новая, которую показывают обновлённый VEPP-2000 и решёточные расчёты. От ответа зависит и теоретическое значение g−2.
Если новые измерения окажутся правильными, мюон, вероятно, не нарушает Стандартную модель. Тогда прежняя сенсация возникла из-за неточной оценки вклада сильного взаимодействия. Если же подтвердится старая частота рождения пионов, расхождение между мюонным экспериментом и решёточной КХД придётся объяснять заново. В обоих случаях физикам необходимо найти причину, по которой надёжные эксперименты и расчёты рисуют две несовместимые картины одного процесса.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Четверть века физики пытались понять, почему мюон ведёт себя в магнитном поле чуть иначе, чем предсказывает теория. Расхождение составляло примерно одну миллионную, но для физики элементарных частиц даже столь малая разница могла указывать на неизвестные силы или частицы. В 2021 году загадка будто исчезла : новый способ расчёта совпал с экспериментом с точностью до одной десятимиллиардной. Вместо ответа учёные получили другую проблему. Старый расчёт тоже выглядел правильным, поскольку опирался на реальные измерения. Теперь физикам приходится выяснять, почему два надёжных подхода приводят к разным результатам.
Мюон напоминает электрон, но значительно тяжелее. Частица обладает собственным вращательным моментом, который в квантовой механике называют спином. Заряженный мюон ведёт себя как крошечный магнит. Если поместить его в магнитное поле, направление спина начинает медленно поворачиваться вокруг линии поля. Подобное движение называют прецессией. Нечто похожее происходит с наклонённым волчком: ось вращения не остаётся неподвижной, а описывает круг.
Скорость прецессии зависит от безразмерной величины, которую называют g-фактором. Для полностью изолированного мюона значение равнялось бы ровно двум. Однако пустого пространства в квантовом мире не существует. Вокруг частицы постоянно возникают и почти сразу исчезают краткоживущие квантовые возбуждения. Мюон испускает виртуальные фотоны, те порождают другие частицы, а затем вся цепочка снова поглощается. Детекторы не успевают зарегистрировать подобные промежуточные состояния напрямую, но они немного меняют движение мюона.
Из-за квантовых поправок g-фактор становится чуть больше двух. Разницу обозначают как g−2. На величину отклонения влияют все известные частицы и фундаментальные взаимодействия, поэтому сверхточное измерение g−2 позволяет проверить, всё ли учтено в современной теории. Необъяснимый избыток мог бы означать, что на мюон действует частица, которой пока нет в Стандартной модели. Среди возможных кандидатов рассматривали и частицы, связанные с тёмной материей .
Первый громкий результат появился в 2001 году. Эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории показал, что мюон прецессирует немного быстрее теоретического прогноза. Чтобы перепроверить измерение, физики подготовили более точный эксперимент в лаборатории Fermilab . Огромное магнитное кольцо диаметром около 15 метров перевезли из штата Нью-Йорк в Иллинойс по морю, рекам и автомобильным дорогам. Новая установка должна была собрать намного больше данных и уменьшить погрешность.
Параллельно физики уточняли теоретическое значение g−2. Для трёх из четырёх фундаментальных взаимодействий задача решается сравнительно хорошо. Вклад гравитации настолько мал, что им можно пренебречь. Электромагнитное и слабое взаимодействия рассчитывают стандартными методами квантовой теории поля. Главные трудности создаёт сильное взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протонов, нейтронов и других составных частиц.
На малых энергиях кварки взаимодействуют настолько сильно, что обычное разложение по небольшим поправкам перестаёт работать. Физики не могут просто вычислить каждую возможную цепочку с нужной точностью. Для оценки вклада сильного взаимодействия появились два основных подхода. Первый использует данные с ускорителей, второй моделирует поведение кварков на вычислительной решётке.
Метод, основанный на данных, опирается на столкновения электронов и позитронов. Позитрон служит античастицей электрона. При встрече обе частицы аннигилируют, а их энергия превращается в новые частицы, включая состояния из кварков. Чем чаще в подобных столкновениях рождаются определённые кварковые комбинации, тем сильнее связанные с ними процессы должны влиять на движение мюона.
Особенно важны пионы, лёгкие составные частицы из кварка и антикварка. Ускорители измеряют, как часто электрон-позитронные столкновения порождают пары пионов. Затем физики переводят частоту рождения в поправку к g−2. Такой путь называют расчётом на основе экспериментальных данных, поскольку влияние сильного взаимодействия выводят не только из формул, но и из измеренных сечений реакции.
В июне 2020 года международная группа собрала доступные данные и опубликовала уточнённый прогноз. В апреле 2021 года Fermilab представила новое измерение. Разница между экспериментом и прогнозом оказалась почти достаточно большой, чтобы физики заговорили об открытии нового явления. По принятым в отрасли правилам для подобного заявления нужна вероятность случайного совпадения меньше примерно одного случая на 3,5 миллиона. Результат приблизился к границе, но не пересёк её.
В тот же день появился другой расчёт, который почти полностью снял расхождение. Его выполнили с помощью решёточной квантовой хромодинамики, или решёточной КХД. Квантовая хромодинамика описывает сильное взаимодействие, а решёточный метод заменяет непрерывные пространство и время набором дискретных точек. Компьютер рассчитывает поведение кварков и глюонов на подобной сетке, а затем физики постепенно уменьшают размер ячеек и приближаются к реальному непрерывному миру.
Принцип напоминает прогноз погоды. Невозможно отследить каждое движение каждой молекулы воздуха, поэтому атмосферу делят на объёмные ячейки и вычисляют средние изменения внутри каждой области. В решёточной КХД пространство тоже разбивают на сетку, но вместо температуры, давления и ветра программа моделирует квантовые поля кварков и глюонов.
Точная симуляция требует одновременно большой и очень мелкой решётки. Частицы с низкой энергией распределяются на значительном расстоянии, поэтому вычислительная область должна охватывать большой объём. Высокоэнергетические процессы происходят на малых масштабах и требуют крошечных ячеек. Совместить оба требования долгое время не позволяли вычислительные мощности и несовершенные методы расчёта.
Работа над решёточным прогнозом началась ещё в 2014 году. Первые результаты уступали методу на основе данных по точности примерно в 10 раз. За следующие годы физики разработали более эффективные вычислительные приёмы и получили доступ к мощным суперкомпьютерам. К 2021 году расчёт достиг точности, сопоставимой с ускорительными измерениями.
Решёточная КХД показала, что мюон вращается именно так, как должна предсказывать Стандартная модель. Позднее независимые группы получили близкие результаты. Для многих физиков первоначальная загадка g−2 после этого потеряла остроту: известные частицы и взаимодействия могли полностью объяснить дополнительную прецессию.
Однако старый расчёт никуда не исчез. Метод на основе данных строился на реальных столкновениях электронов и позитронов, а значит, причина расхождения могла скрываться не в теории, а в самих измерениях рождения пионов. Физики начали заново сравнивать результаты разных ускорителей и обнаружили новую странность.
В Новосибирске работает электрон-позитронный коллайдер VEPP-2000. Установка разгоняет частицы до энергий примерно в 6000 раз ниже, чем Большой адронный коллайдер, но высокая энергия здесь не нужна. VEPP-2000 предназначен для точного изучения процессов, в которых рождаются лёгкие составные частицы.
На коллайдере установлены два независимых детектора. Они считают, как часто после аннигиляции электрона и позитрона появляются пионы. Подобные измерения десятилетиями использовали для расчёта вклада сильного взаимодействия в g−2 мюона.
В 2010 году один из детекторов полностью заменили . Новая аппаратура собрала более точные данные, опубликованные в 2023 году. Частота рождения пионов заметно отличалась от прежних результатов той же установки. Разница оказалась слишком большой, чтобы списать её на небольшое улучшение точности или случайное колебание.
Ранее физики уже замечали, что измерения из Италии и США постепенно расходятся. Новые данные VEPP-2000 усилили проблему: обновлённый детектор не просто разошёлся с другими экспериментами, но и показал иной результат по сравнению со своим предшественником. Проверки пока не выявили ошибок в калибровке, обработке или устройстве эксперимента.
В 2024 году физики рассчитали частоту рождения пионов с помощью решёточной КХД. Полученный результат в основном совпал с новым измерением VEPP-2000. Предварительные данные второго детектора на том же коллайдере также указывают на новую, более высокую или иначе распределённую частоту рождения пионов.
Одновременно анализ старых данных американского эксперимента BaBar, опубликованный в 2023 году, хорошо согласуется с прежними измерениями. Таким образом, одни эксперименты поддерживают старую картину, другие подтверждают новую. Разделить результаты по простому признаку не получается: установки использовали разные методы, работали в разных странах и собирали данные в разные годы.
Разногласие может иметь две причины. Первая связана с незамеченными особенностями экспериментов. Детекторы по-разному восстанавливают траектории частиц, учитывают излучение до и после столкновения, отделяют полезные события от фона и корректируют эффективность регистрации. Небольшая систематическая ошибка в одной из процедур способна сместить итоговую частоту рождения пионов.
Вторая возможность гораздо интереснее: в столкновениях могут участвовать неизвестные частицы или взаимодействия. Они способны изменить рождение пионов так, что разные методы измерения будут давать несовместимые результаты. Пока данных недостаточно, чтобы выбрать подобное объяснение, но полностью исключить новую физику тоже нельзя.
Теперь центральный вопрос касается уже не поведения мюона. Физикам нужно понять, какая частота рождения пионов верна: старая, подтверждённая десятилетиями измерений, или новая, которую показывают обновлённый VEPP-2000 и решёточные расчёты. От ответа зависит и теоретическое значение g−2.
Если новые измерения окажутся правильными, мюон, вероятно, не нарушает Стандартную модель. Тогда прежняя сенсация возникла из-за неточной оценки вклада сильного взаимодействия. Если же подтвердится старая частота рождения пионов, расхождение между мюонным экспериментом и решёточной КХД придётся объяснять заново. В обоих случаях физикам необходимо найти причину, по которой надёжные эксперименты и расчёты рисуют две несовместимые картины одного процесса.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
