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 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, деленая 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 значение фактически подтверждало бы существование Новой физики.

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

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

Muon g – 2 collaboration / Physical Review Letters, 2021

Поделиться

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

Поделиться

Теперь же участники эксперимента Muon g — 2 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

Поделиться

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

Поделиться

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 мнению 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

Let's block ads! (Why?)

 

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх