Основные результаты эксперимента Muon g − 2
После измерения колебаний 300 миллиардов мюонов коллаборация Muon g − 2 с исключительной точностью определила внутренний магнетизм этих субатомных частиц [1]. Магнитная сила мюона, или момент, стала предметом исследований в области физики элементарных частиц за последние два десятилетия, поскольку эксперимент и теория, казалось, расходились в оценке его значения, что указывало на возможную новую физику.
Конечные результаты эксперимента Muon g − 2 согласуются с последними прогнозами, дополнительно подтверждая стандартную модель физики элементарных частиц.
История вопроса
Мюон — тяжёлый родственник электрона — начал привлекать внимание физиков в 1990-х годах, когда эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке сообщил о первых намёках на то, что магнитное поведение мюона может не соответствовать предсказаниям, основанным на стандартной модели.
Для дальнейшего изучения этого расхождения большой магнит эксперимента был перемещён в 2013 году в Национальную лабораторию Ферми (Fermilab) в Иллинойсе. Первые результаты перенесённого эксперимента Muon g − 2 были опубликованы в 2021 году, показав хорошее согласие с результатами Брукхейвена и повысив значимость расхождения (см. [Viewpoint: Muon’s Escalating Challenge to the Standard Model](https://physics.aps.org/articles/v14/54)).
Завершение сбора данных
Коллаборация Muon g − 2 завершила сбор данных и опубликовала окончательный анализ [1]. Момент мюона обычно выражается через аномальный магнитный момент, который количественно определяет, насколько отличается нормализованный момент частицы, называемый g, от эталонного значения 2 (отсюда и название эксперимента « g минус 2»).
Конечное значение команды составляет aμ = 0,001165920705, что полностью соответствует предыдущим, менее точным экспериментальным результатам. «Это было большое облегчение — увидеть, что результат совпадает с нашими прежними результатами», — говорит представитель коллаборации Питер Уинтер из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Точность эксперимента
Новый результат выделяется своей чувствительностью: погрешности в четыре раза меньше, чем у эксперимента в Брукхейвене, и в 1,6 раза меньше, чем у предыдущего эксперимента в Фермилаб. Точность составляет 127 частей на миллиард, что Уинтер сравнивает с взвешиванием бизона с точностью до 100 мг (эквивалентно семечку подсолнуха).
«Экспериментальное значение теперь стоит на очень прочном фундаменте, — говорит Уинтер. — Будущим экспериментам будет сложно превзойти эту точность».
Влияние на теорию
Возможность того, что результаты по мюонам могут указывать на новую физику, была уменьшена из-за несоответствий, которые возникли на стороне теории в последние годы. Существуют два основных способа расчёта магнитного момента мюона: метод, основанный на данных, и метод решёточной КХД.
Первый, который в течение многих лет был золотым стандартом, предсказывал низкое значение мюонного момента — ниже значения, вокруг которого группировались экспериментальные значения. Результаты решёточного метода, напротив, были выше (см. [News Feature: Repeated Particle Measurements Disagree with Theory—What Now?](https://physics.aps.org/articles/v17/6)).
Обновление теоретических расчётов
Тупик между теоретическими лагерями привёл к переоценке обеих сторон. Недавние решёточные результаты повысили уверенность теоретического сообщества в этом подходе. С другой стороны, расхождения появились в методе, основанном на данных, что поставило под сомнение его обоснованность.
Инициатива Muon g − 2 Theory Initiative сообщила об аномальном моменте мюона aμ = 0,00116592033 с точностью 540 частей на миллиард. Это теоретическое значение согласуется — в пределах погрешностей — с окончательным результатом коллаборации Muon g − 2.
«Кажется вероятным, что головоломка g − 2 решена», — говорит Томас Блюм из Университета Коннектикута, участник инициативы Muon g − 2 Theory Initiative.
Заключение
Эксперимент Muon g − 2 завершён. Большой магнит больше не поддерживается при криогенных температурах, и планов по перепрофилированию установки нет, говорит Уинтер. Но физика мюонов продолжается. Фермилаб строит новый эксперимент для поиска редких конверсий мюон-электрон, которые запрещены в стандартной модели. Также есть предложение построить эксперимент по измерению магнитного момента мюона в Японском комплексе по исследованию протонов с использованием другой техники с меньшим магнитом.
Завершение эксперимента Muon g − 2 было волнующим, но также немного грустным, говорит Уинтер. «Многие из нас работали над этим экспериментом более десяти лет. Это был отличный опыт и отличное сотрудничество».
— Майкл Ширбер
Майкл Ширбер — соответствующий редактор журнала Physics Magazine, базирующегося в Лионе, Франция.
Поиск пятой силы
Среди предложенных дополнений к стандартной модели физики элементарных частиц — пятая сила, связывающая электроны с нейтронами. Хотя бозоны, опосредующие силу, могут быть легче нейтрино или тяжелее топ-кварка, сама сила, очевидно, ничтожна.
Теперь международное сотрудничество исследовательских групп в Германии, Швейцарии и Австралии установило новые верхние пределы силы для бозонов с массой от 10 до 10⁷ эВ/c² [1]. Исследователи сделали это, измерив крошечные различия в частотах оптических переходов между изотопами кальция.
Атомные переходы
Атомный переход меняется по частоте от одного изотопа к другому, потому что ядро каждого изотопа отличается по массе и распределению заряда. Сдвиги незначительны, но чувствительны к гипотетической силе между нейтронами и электронами. Чтобы повысить шансы на обнаружение аномального сдвига, исследователи провели высокоточные измерения ядерных масс и двух узких переходов в разных зарядовых состояниях кальция.
Построение графика сдвигов одного перехода относительно других даёт так называемый график Кинга. При отсутствии пятой силы или другой аномалии сдвиги для ⁴²Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca и ⁴⁸Ca должны были бы лежать на прямой линии. Благодаря чувствительности и точности их эксперимента исследователи зафиксировали крошечные отклонения от линейности для каждого изотопа.
— Чарльз Дэй
Чарльз Дэй — старший редактор журнала Physics Magazine.