Теоретичні передбачення наближаються до експериментальних результатів, але можливі прогалини в стандартній моделі фізики частинок все ще залишаються.
Магнітний момент мюона: теорія та експеримент
Загадки мюона заворожують фізиків. Минулого року експеримент показав, що елементарна частинка має нез'ясовно сильний магнетизм, що, можливо, порушує деякі положення стандартної моделі.
Переглянуті сьогодні розрахунки показують, що теоретичне передбачення про сильний магнетизм мюона близьке до істини.
Експериментальні дані та теоретичні розрахунки поки що є попередніми і не повністю збігаються з вимогами стандартної моделі. Але, скорочуючи розрив між теорією та експериментом, фізики сподіваються полегшити розв'язання проблеми. І водночас створити потенційно нові розбіжності.
Мюон майже ідентичний електрону, за винятком того, що він у 200 разів важчий і недовговічний, розпадаючись за мільйонні частки секунди при зіткненні частинок.
Як і електрон, мюон має магнітне поле, яке змушує його діяти відповідним чином. У результаті утворюється безліч частинок, які на короткий час з'являються і зникають.
Ці ефемерні частинки підсилюють магнетизм мюона, виникає так званий магнітний момент. Питання: наскільки?
Якщо стандартна модель пояснює всі елементарні частинки Всесвіту, то вона має бути в змозі точно визначити додатковий магнітний внесок.
Однак якщо експерименти доведуть, що фізична природа мюона відхиляється від передбачення, це означатиме існування досі невідомих частинок, швидкоплинна поява яких спотворює магнітний момент більше, ніж очікувалося.
Фізики вже помітили натяки на таку розбіжність і витратили десятиліття на спроби підвищити точність теорії та експериментів, щоб переконатися, чи справді вони отримують різні результати.
Суперечливі результати
У 2020 році теоретико-фізична спільнота випустила консенсусну статтю, де викладено найточніші передбачення магнітного моменту мюона. Розрахунки робилися на підставі фундаментальних принципів стандартної моделі, але дослідникам треба було додати деякі експериментальні дані, щоб пояснити магнітний вплив кварків і глюонів, які неможливо адекватно розрахувати за допомогою однієї лише теорії.
До цих розрахунків невдовзі приєдналося найточніше експериментальне вимірювання магнітного моменту мюона. У квітні 2021 року експеримент Muon g-2 у Національній прискорювальній лабораторії імені Фермі повідомив, що магнітний момент мюона значно перевищує теоретичне передбачення.
Однак того самого дня фізики з колаборації BMW представили окремі розрахунки магнітного моменту, які не потребували допомоги експериментальних даних. Вони використовували метод решітчастої квантової хромодинаміки (решітчаста КХД), для моделювання поведінки кварків, глюонів та інших частинок.
У результаті магнітний момент мюона виявився вищим, ніж розрахунки в консенсусному документі 2020 року, і ближчим до експериментального значення мюонного g - 2.
КХД не відігравала помітної ролі в консенсусному документі, оскільки на той час передбачення цього методу не були достатньо точними.
Сучасні математичні методи та величезна потужність суперкомп'ютерів згодом допомогли команді BMW надати своїм симуляціям КХД-ґратки достатнього імпульсу, щоб отримати оцінку.
Відтоді щонайменше вісім груп фізиків по всьому світу намагалися підтвердити або поліпшити передбачення BMW. Вони почали з того, що зосередилися на обмеженому діапазоні енергій частинок, які моделював BMW.
Два попередні результати було опубліковано в репозиторії препринтів arXiv у квітні 2022 року: один - Крістофером Обіном із Фордгемського університету в Нью-Йорку та його співробітниками, а інший - Геном Вангом з Університету Екс-Марсель у Франції.
Раніше цього місяця ще дві групи - одна під керівництвом Хартмута Віттіга з Університету Йоганна Гутенберга в Майнці, Німеччина, інша - Сільвано Сімула з Національного інституту ядерної фізики в Римі - оголосили про результати своїх досліджень мюонного вікна на конференції в Лос-Анджелесі.
Група Сімули готує препринт, а група Віттіга представила свій варіант 14 червня. Усі чотири розрахунки підтвердили результати BMW, незважаючи на те, що їхні методи роботи з решітками відрізняються.
"Дуже різні способи підходу до проблеми дають схожий результат", - каже Обен.
Експеримент із новим консенсусом
Згодом різні групи сходяться до результату, який узгоджується з результатами BMW, принаймні, в проміжному вікні", - каже Давіде Джусті, фізик із Регенсбурзького університету, колишній член колаборації Сімули, який зараз працює в групі КХД-ґратки, очолюваній його колегою з Регенсбурга Крістофом Лехнером.
Але розрахунки все ще попередні, і вони можуть розійтися, якщо застосувати їх за межами поточного вікна.
"Ми ще не знаємо, чи узгоджуються результати розрахунків на решітці, отримані в інших колабораціях, з результатами BMW для інших частин", - каже Аїда Ель-Хадра, теоретик з Іллінойського університету, яка бере участь в іншій роботі з розрахунку решітки КХД.
Ба більше, експериментальний результат щодо мюона g-2 все ще вищий, ніж значення, розраховане за допомогою решітки КХД, тож надто зарано робити висновок про те, що стандартна модель була правильною весь цей час.
Експеримент у Фермілабі має представити оновлене значення магнітного моменту, попередньо наступного року, але "навіть якщо розрив між теоретичним прогнозом та експериментом виявиться меншим - навіть якщо він буде вдвічі меншим - це все одно буде великою розбіжністю", - каже Віттіг.
А якщо КХД-решітка й експерименти зрештою зійдуться на одному значенні, фізикам однаково доведеться пояснити, чому консенсусний документ 2020 року виявився настільки хибним, переконаний Свен Гайнемаєр, фізик-теоретик із ЦЕРН.
Поки що вченим залишається тільки ламати голову.
"Важко повірити, що всі наші моделювання були помилковими, - каже Обен. - Але також важко уявити, як розрахунки, засновані на даних 2020 року, могли піти не так".
Проте вже зараз зрозуміло, що решіткова КХД матиме значний вплив на питання мюонного магнетизму, вважає Джусті.
"Ці розрахунки дійсно захопливі, і якою б не була відповідь, вона буде вирішальною".
