Идея 1960-х годов вдохновляет исследователей на изучение доселе недоступных квантовых состояний
Физики постоянно ищут новые теории, чтобы улучшить наше понимание Вселенной и решить большие нерешённые вопросы. Но есть проблема: как искать неизвестные силы или частицы, если мы не знаем, как они выглядят?
Тёмная материя
Возьмём, к примеру, тёмную материю. Мы видим признаки этого загадочного космического явления по всей Вселенной, но из чего она может состоять? Что бы это ни было, нам понадобятся новые физические теории, чтобы понять, что происходит.
Благодаря новому экспериментальному результату, опубликованному сегодня, и сопровождающим его новым теоретическим расчётам, у нас может появиться представление о том, как должна выглядеть эта новая физика — и, возможно, даже некоторые подсказки о тёмной материи.
Мюоны и новые измерения
В течение 20 лет одним из наиболее перспективных признаков новой физики была крошечная несогласованность в магнетизме частицы, называемой мюоном. Мюон очень похож на электрон, но намного тяжелее.
Мюоны образуются, когда космические лучи — частицы с высокой энергией из космоса — достигают атмосферы Земли. Примерно 50 мюонов проходят через ваше тело каждую секунду.
Мюоны проходят через твёрдые объекты гораздо лучше, чем рентгеновские лучи, поэтому они полезны для поиска того, что находится внутри больших структур. Например, их использовали для поиска скрытых камер в египетских и мексиканских пирамидах; для изучения магматических камер внутри вулканов, чтобы прогнозировать извержения; и для безопасного просмотра внутри ядерного реактора Фукусимы после его расплавления.
В 2006 году исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории в Соединённых Штатах измерили силу магнетизма мюона с невероятной точностью. Их измерение было точным примерно до шести частей на десять миллиардов. Это эквивалентно измерению массы загруженного грузового поезда с точностью до десяти граммов. Это было сопоставлено с аналогичным впечатляющим теоретическим расчётом.
Когда исследователи сравнили два числа, они обнаружили крошечную, но значительную разницу, указывающую на несоответствие между теорией и экспериментом. Возможно, они наконец нашли новую физику, которую искали?
Чтобы получить окончательный ответ, международное научное сообщество начало 20-летнюю программу по повышению точности обоих результатов.
Эксперимент в Фермилабе
Огромный электромагнит из оригинального эксперимента был погружен на баржу и перевезён вниз по восточному побережью США, а затем вверх по реке Миссисипи в Чикаго. Там он был установлен в Фермилабе для полностью переоборудованного эксперимента.
Только сегодня утром исследователи объявили, что завершили этот эксперимент. Их окончательный результат по силе магнетизма мюона в 4,4 раза точнее — на полторы части на десять миллиардов.
Чтобы не отставать, теоретики также должны были внести существенные улучшения. Они сформировали Инициативу теории мюон g-2, международное сотрудничество более чем 100 учёных, посвящённое созданию точного теоретического прогноза.
Они вычислили вклады в магнетизм мюона более чем от 10 000 факторов. Они даже включили частицу, называемую бозоном Хиггса, которая была обнаружена только в 2012 году.
Но был один последний камень преткновения: сильное ядерное взаимодействие, одно из четырёх фундаментальных взаимодействий во Вселенной. Вычислить этот вклад таким же образом, как и другие, было непросто.
В 2020 году Инициатива теории обратилась к столкновениям между электронами и их античастицами: позитронами. Измерения этих электрон-позитронных столкновений предоставили недостающие значения, которые нам были нужны.
Вместе со всеми остальными частями это дало результат, который сильно расходился с последними экспериментальными измерениями.
Суперкомпьютерное моделирование
В то же время я исследовал другой подход. Вместе с моими коллегами в рамках сотрудничества Будапешт-Марсель-Вупперталь мы провели суперкомпьютерное моделирование этого сильного вклада.
Наш результат устранил напряжение между теорией и экспериментом. Однако теперь у нас появилось новое напряжение: между нашим моделированием и результатами электрон-позитронных экспериментов, которые выдержали 20 лет тщательного изучения. Как могли быть ошибочны эти результаты двадцатилетней давности?
С тех пор две другие группы провели полное моделирование, которое согласуется с нашим, и многие другие подтвердили части нашего результата. Мы также создали новую, переработанную симуляцию, которая почти удваивает нашу точность (выпущена в виде препринта, который ещё не прошёл рецензирование и не опубликован в научном журнале).
Чтобы убедиться, что на новые симуляции не повлияли какие-либо предвзятые представления, они были выполнены «вслепую». Данные моделирования были умножены на неизвестное число перед анализом, поэтому мы не знали, что такое «хороший» или «плохой» результат.
Затем мы провели волнующую и захватывающую встречу. Фактор ослепления был раскрыт, и мы узнали результаты многолетней работы одновременно. После всего этого наш последний результат согласуется ещё лучше с экспериментальным измерением магнетизма мюона.
Инициатива теории мюон g-2 перешла к использованию результатов моделирования вместо данных электрон-позитронных экспериментов в своём официальном прогнозе, и намёк на новую физику, похоже, исчез.
Исследование квантовых состояний в сверхпроводящих вихрях
Исследователи из Института Нильса Бора Копенгагенского университета создали новый путь в изучении неуловимых квантовых состояний в сверхпроводящих вихрях. Существование этих состояний было предположено в 1960-х годах, но их прямое подтверждение оставалось очень сложным из-за того, что эти состояния сжаты в энергетические масштабы, меньшие, чем обычно можно разрешить в экспериментах.
Результат стал возможен благодаря сочетанию изобретательности и расширению исследований в области дизайнерских материалов, созданных в лабораториях Института Нильса Бора. Он опубликован в журнале Physical Review Letters.
Вместо того чтобы пытаться наблюдать неуловимые состояния в их первоначальной обстановке, исследователи под руководством профессора Института Нильса Бора Саулюса Вайтиекена создали совершенно новую систему материалов, имитирующую условия.
Подобно использованию хитрой задней двери, они обошли первоначальные ограничения, разработав крошечный сверхпроводящий цилиндр и применив магнитный поток для воссоздания основной физики.
«Эта установка позволяет нам изучать те же квантовые состояния, но на наших собственных условиях», — говорит Саулюс. «Создавая платформу самостоятельно, мы диктуем правила».
В растущем и очень конкурентном исследовательском ландшафте в области квантовой физики эта работа демонстрирует универсальность полупроводниковой–сверхпроводниковой платформы для реализации и изучения новых типов квантовых состояний.
И сама полупроводниковая–сверхпроводниковая платформа на самом деле также является копенгагенским инновационным достижением примерно десятилетней давности. «Мы фактически наткнулись на эти состояния случайно — как и многие научные открытия. Но как только мы поняли, на что смотрим, мы поняли, что это больше, чем просто любопытство».
«Оказывается, они могут быть полезны для создания гибридных квантовых симуляторов, которые необходимы для изучения и понимания сложных будущих материалов», — объясняет Саулюс.