Окончательные результаты долгосрочного эксперимента, проведённого в США, объявленные во вторник, показывают, что крошечная частица продолжает вести себя странно — но это всё равно хорошая новость для известных нам законов физики.
«Этот эксперимент — огромный прорыв в области точности», — сказала Това Холмс, физик-экспериментатор из Университета Теннесси в Ноксвилле, которая не участвует в сотрудничестве.
Мюоны и магнитное поле
Мюоны, считающиеся более тяжёлыми собратьями электронов, ведут себя непредсказуемо в магнитном поле. Они вращаются, как волчок, и учёные изучают это движение, чтобы увидеть, соответствует ли оно фундаментальному своду правил физики, называемому Стандартной моделью.
Эксперименты 1960-х и 1970-х годов, казалось, показывали, что всё в порядке. Но тесты в Брукхейвенской национальной лаборатории в конце 1990-х и начале 2000-х годов выявили нечто неожиданное: мюоны вели себя не так, как ожидалось.
Спустя десятилетия международная группа учёных решила провести эксперименты с ещё более высокой степенью точности. Команда пропустила мюоны по магнитной кольцевой дорожке — той же, что использовалась в эксперименте в Брукхейвене, — и изучила их характерное колебание в Национальной лаборатории Ферми недалеко от Чикаго.
Первые два набора результатов, обнародованные в 2021 и 2023 годах, казалось, подтверждали странное поведение мюонов, побуждая физиков-теоретиков попытаться согласовать новые измерения со Стандартной моделью.
Теперь группа завершила эксперимент и опубликовала результаты измерения колебания мюонов, которые согласуются с предыдущими данными, используя более чем вдвое больше данных по сравнению с 2023 годом. Они представили свои результаты в журнале Physical Review Letters.
Тем не менее это ещё не конец нашего базового понимания того, что удерживает Вселенную вместе. Пока мюоны мчались по своей дорожке, другие учёные нашли способ более тесно согласовать их поведение со Стандартной моделью с помощью суперкомпьютеров.
Моделирование квантового атомного движения на металлах
В различных технологических приложениях, связанных с генерацией и хранением химической энергии, атомы и молекулы диффундируют и вступают в реакции на металлических поверхностях. Возможность моделирования и прогнозирования этого движения имеет решающее значение для понимания деградации материалов, химической селективности и оптимизации условий каталитических реакций.
Центральным элементом этого процесса является правильное описание составляющих частей атомов: электронов и ядер. Электрон невероятно лёгок — его масса почти в 2000 раз меньше, чем у даже самого лёгкого ядра. Это различие масс позволяет электронам быстро адаптироваться к изменениям в положениях ядер, что обычно позволяет исследователям использовать упрощённое «адиабатическое» описание атомного движения.
Хотя это может быть отличным приближением, в некоторых случаях движение ядер настолько сильно влияет на электроны, что необходимо отказаться от этого упрощения и учесть связь между динамикой электронов и ядер, приводящую к так называемым «неадиабатическим эффектам».
Электронное трение
Одним из видов неадиабатических эффектов, особенно актуальным для металлов, является электронное трение. Оно влияет на вероятности прилипания атомов и молекул к металлам, скорость, с которой они рассеивают энергию посредством вибраций, и скорость, с которой они диффундируют по металлическим поверхностям.
Если бы ядра были классическими частицами, это явление можно было бы описать как воздействие электронов на ядра, движущиеся через металлическую среду, посредством силы сопротивления. Однако атомные ядра — это квантовые объекты, движение которых не соответствует нашей повседневной интуиции и сложно для моделирования на компьютере.
В недавней работе, опубликованной в Physical Review Letters, Джордж Тренинс и Мариана Росси преуспели в объединении электронного трения с практической методологией для моделирования квантовых эффектов ядер, основанной на интегральной формулировке квантовой механики.
Их подход может описать силы трения, которые зависят не только от текущего состояния атомов, но и от траектории, которой они следовали в прошлом. Сочетание этого свойства, известного как «память», с эффектами нулевой точки энергии позволило исследователям объяснить неожиданное согласие между более ранними классическими симуляциями и экспериментальными результатами.
«Наш подход направлен на получение правильного ответа по правильным причинам», — говорит Тренинс. «Улавливая взаимодействие между квантовыми ядрами и электронным трением, мы можем глубже понять обмен энергией на проводящих поверхностях и помочь в разработке новых гетерогенных катализаторов, таких как одноатомные сплавы и двумерные материалы».
Росси добавляет: «Определённо интересно иметь метод, который можно применить к более сложным системам в их полной размерности. Это позволит нам изучить эти эффекты в системах, которые ранее не поддавались такому моделированию».
laws of physics as we know them.”,”\”This experiment is a huge feat in precision,\” said Tova Holmes, an experimental physicist at the University of Tennessee, Knoxville who is not part of the collaboration.”,”The mysterious particles called muons are considered heavier cousins to electrons. They wobble like a top when inside a magnetic field, and scientists are studying that motion to see if it lines up with the foundational rulebook of physics called the Standard Model.”,”Experiments in the 1960s and 1970s seemed to indicate all was well. But tests at Brookhaven National Laboratory in the late 1990s and early 2000s produced something unexpected: the muons weren’t behaving like they should.”,”Decades later, an international collaboration of scientists decided to rerun the experiments with an even higher degree of precision. The team raced muons around a magnetic, ring-shaped track—the same one used in Brookhaven’s experiment—and studied their signature wiggle at the Fermi National Accelerator Laboratory near Chicago.”,”The first two sets of results—unveiled in 2021 and 2023—seemed to confirm the muons’ weird behavior, prompting theoretical physicists to try to reconcile the new measurements with the Standard Model.”,”Now, the group has completed the experiment and released a measurement of the muon’s wobble that agrees with what they found before, using more than double the amount of data compared to 2023. They submitted their results to the journal Physical Review Letters.”,”That said, it’s not yet closing time for our most basic understanding of what’s holding the universe together. While the muons raced around their track, other scientists found a way to more closely reconcile their behavior with the Standard Model with the help of supercomputers.”,”There’s still more work to be done as researchers continue to put their heads together and future experiments take a stab at measuring the muon wobble—including one at the Japan Proton Accelerator Research Complex that’s expected to start near the end of the decade. Scientists also are still analyzing the final muon data to see if they can glean information about other mysterious entities like dark matter.”,”\”This measurement will remain a benchmark … for many years to come,\” said Marco Incagli with the National Institute for Nuclear Physics in Italy.”,”By wrangling muons, scientists are striving to answer fundamental questions that have long puzzled humanity, said Peter Winter with Argonne National Laboratory.”,”\”Aren’t we all curious to understand how the universe works?\” said Winter.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 The Associated Press. All rights reserved. This material may not be published, broadcast, rewritten or redistributed without permission.\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник