Физики Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб, США) 10 августа 2023 года сообщили о новых результатах эксперимента Muon g-2. В этом эксперименте с высокой точностью измеряется аномальный магнитный момент мюона (АМММ). Магнитный момент отражает силу взаимодействия частицы, в данном случае мюона, с магнитным полем. Аномальный магнитный момент возникает в результате взаимодействия частицы с короткоживущими ненаблюдаемыми, или виртуальными, частицами. Измеряя эту величину в эксперименте, и сравнивая ее с предсказанием Стандартной модели, ученые ищут указания на существование Новой физики – явлений (частиц и сил), не описываемых Стандартной моделью. Уникальность АММ мюона состоит в том, что он очень чувствителен к вкладу возможных, не открытых еще частиц. Чем точнее получается измерить АММ мюона и предсказать его значение, тем глубже удается заглянуть в то, как устроен мир на самых малых расстояниях. Чтобы достичь суперточности, ученые проводят все новые и новые эксперименты и расчеты.
Согласно результатам, анонсированным Фермилаб, эксперимент Muon g-2 смог измерить АММ мюона с рекордной точностью 0.2 ppm, или 0.00002% – более чем в два раза точнее предыдущего измерения, проводившегося в Брукхейвенской лаборатории (БНЛ, США) в конце 90-х – начале 2000-х. Полученный результат хорошо согласуется с предыдущими измерениями.
Теперь, когда экспериментальное значение АМММ достигло такой высокой точности, физики должны повысить уровень теоретического предсказания АМММ. Наиболее точное предсказание Стандартной модели для АММ мюона было получено в 2020 году. Между этим предсказанием и новым измеренным значением наблюдается разница более 5 стандартных отклонений. Такой разницы было бы достаточно, чтобы утверждать о наблюдении эффектов, не описываемых Стандартной моделью. Однако, с 2020 года появилось несколько расчетов, основанных на решеточных вычислениях КХД и на новых измерениях вероятности рождения пары пионов в электрон-позитронной аннигиляции, проведенных в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) на коллайдере ВЭПП-2000 с детектором КМД-3, которые ставят под сомнение расчет 2020 года. В настоящее время широкая коллаборация ученых из многих мировых научных центров работает над уточнением теоретического предсказания.
Современная теория микромира, или Стандартная модель, хорошо описывает фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, но некоторые астрофизические наблюдения указывают на то, что она не полностью объясняет физическую картину мира. Например, в ней нет места темной материи, из которой на 26% состоит наша Вселенная. Прямыми поисками недостающих «частей» СМ занимаются ученые со всего мира на Большом адронном коллайдере – они пытаются зарегистрировать новые частицы на все больших энергиях. В экспериментах Фермилаб и ИЯФ СО РАН физики пытаются получить косвенные указания о полноте или не полноте СМ через сравнение измеренного и предсказанного теорией значения АМММ.
Аномальный магнитный момент есть у любой заряженной частицы, но наиболее интересно его изучать именно у мюона.
«Плюс мюона в том, что физики умеют получать эти элементарные частицы в большом количестве, а также в том, что они живут относительно долго – целых 2 микросекунды, – рассказывает заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе заведующий кафедры физики элементарных частиц НГУ доктор физико-математических наук Иван Логашенко. – Частица представляет собой небольшой магнитик, он проворачивается в магнитном поле, и по углу его поворота измеряется величина АММ. Если частица короткоживущая, как, например, тау-лептон, АММ которого тоже было бы очень интересно измерить, она успевает повернуться на очень маленький угол до того, как умирает (распадается). А вот мюон, напротив, успевает сделать десятки полных оборотов, поэтому величину АММ мюона можно измерить очень хорошо. С еще большей точностью, приблизительно в 1000 раз, измеряют АММ электрона, который живет бесконечно долго. Но тут в дело вступает еще одно преимущество мюона – он в 200 раз тяжелее электрона и его АММ гораздо чувствительней, примерно в 40000 раз, к вкладу тяжелых частиц. Поэтому именно для мюона интереснее всего сравнить величину АММ, измеренную в эксперименте, с предсказанием Стандартной модели. Если мы увидим отличие, то это указывает на Новую физику – что существуют какие-то силы и частицы, которые вносят свой вклад в АММ и которые мы не учитываем в Стандартной модели».
Проверка Стандартной модели Фермилаб
Экспериментальные измерения АМММ проводятся в течение последних 60-ти лет в разных лабораториях мира – и точность каждого последующего повышается. До недавнего времени лидировал результат Брукхейвенской лаборатории, который был получен в начале двухтысячных годов. Относительная точность эксперимента составила половину миллионной доли, 0.000054%. Следующий эксперимент, как раз Muon g-2 в Фермилаб, ставит целью повысить точность еще в четыре раза.
«Мы действительно исследуем новую территорию. Нам удалось определить аномальный магнитный момент мюона с большей точностью, чем когда-либо прежде», – сказал в официальном пресс-релизе Фермилаб Брендан Кейси, старший научный сотрудник лаборатории.
Качество полученного результата эксперимента складывается из уточнения систематической и статистической ошибки. Статистическая ошибка уточняется благодаря повышению объема собранных данных – и в Фермилаб удалось накопить более чем в 20 раз больше данных, чем в Брукхейвене. Систематическая ошибка показывает все неопределенности, которые существуют в методике эксперимента, анализе данных.
«Новый результат основан приблизительно на 1/3 всех данных, набранных в эксперименте. Полностью анализ данных завершится в 2025 году, тогда статистическая точность улучшиться в заявленные четыре раза. А вот систематическую неопределенность нашим коллегам из Фермилаб уже удалось уменьшить почти в четыре раза относительно эксперимента БНЛ. Судя по детальности анализа данных эксперимента, можно говорить, что он войдет в историю, как один из самых тщательно проработанных и точных», – говорит Иван Логашенко.
«Это невероятное экспериментальное достижение. Снижение систематической неопределенности до такого уровня – это большой результат, и мы не ожидали получить его так скоро», – сказал Питер Уинтер, представитель коллаборации Muon g-2.
Результат измерения АММ мюона в Фермилаб и его сравнение с предыдущими измерениямиMuon g-2 collaborationПроверка Стандартной модели ИЯФ СО РАН
«Напомню, что главная особенность АМММ не в самой величине, а в том, что ее можно очень точно как измерить, так и рассчитать в рамках СМ, – объясняет Иван Логашенко. – Получив высокую точность обоих этих значений, и сравнив их, мы сможем понять, существует ли физика за рамками СМ, или теория работает хорошо на достигнутом уровне точности».
На данный момент между экспериментальным значением АМММ и теоретическим расчетом той же величины пять стандартных отклонений, или пять сигм. Такая разница считается довольно большой. Но в последнее время появились новые данные, которые поставили под сомнение точность сделанного ранее теоретического расчета. Теперь главная задача мирового физического сообщества – выйти при расчете предсказания СМ на тот же уровень точности, достигнутой в Фермилаб.
«К сожалению, на сегодняшний день нельзя сказать, что мы точно знаем, что нам предсказывает Стандартная модель», – объясняет Иван Логашенко. – Теоретический расчет АМММ включает вклады электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий. И если электромагнитные и слабые взаимодействия хорошо известны и подсчитаны, то с вкладом сильных взаимодействий картина не так ясна».
Еще в 60-х гг. XX в. был придуман способ, который связывает вклад сильных взаимодействий в АМММ с вероятностью рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона. ИЯФ СО РАН на ускорительном комплексе ВЭПП-2000 (а ранее – на комплексе ВЭПП-2М) исторически занимается как раз измерением адронных сечений. То есть, информация, которую получают российские физики в новосибирском Академгородке, позволяет улучшать точность теоретического вычисления АМММ в рамках Стандартной модели. Более того, в значительной степени, именно точность измерений на ВЭПП-2000 определяет точность предсказания.
Коллайдер ВЭПП-2000 ИЯФ СО РАНС. Ерыгина«На ВЭПП-2000 мы измеряем как раз то, что нужно для теоретического расчета АМММ – вероятность рождения адронов при электрон-позитронной аннигиляции в нужном диапазоне энергий, – рассказывает Иван Логашенко. – В этом году у нас произошло большое событие – закончился анализ данных, набранных на детекторе КМД-3, и мы выдали новый результат измерения самого главного “ингредиента” всех теоретических вычислений АМММ – вероятности рождения пары двух пионов в электрон-позитронной аннигиляции. Мы набрали рекордный объем данных (в 30 раз больший, чем было раньше на ВЭПП-2М), анализ данных получился гораздо более детальный, по сравнению с теми, что были проведены раньше где-либо в мире».
По словам ученого, полученный результат разошелся с предыдущим расчетом всего на несколько процентов, но этого достаточно, чтобы вклад сильных взаимодействий в АМММ и, соответственно, теоретическое предсказание АМММ сдвинулось ближе к экспериментальному значению.
«Если посмотреть на предсказание СМ для АМММ, основанного на результате, который мы анонсировали в апреле 2023 года, то они очень близки к экспериментальному значению, который получен в Фермилаб», – резюмировал Иван Логашенко.
Теория VS Эксперимент
Научных групп, которые занимаются теоретическими расчетами АМММ или измерением данных для таких расчетов, довольно много – помимо России, подобные эксперименты проводятся на B-фабриках и Фи-фабриках в Японии, в США. В последние годы появился новый метод расчета вклада сильных взаимодействий в АМММ – решеточные вычисления КХД. Это метод теоретического расчета, основанный на компьютерном моделировании. В расчетные параметры закладываются базовые принципы физики сильных взаимодействий и проводится моделирование, в результате которого высчитывается вклад в АМММ. Все эти группы, в том числе и ИЯФ СО РАН, входят в международную неформальную коллаборацию G-2 Theorу Initiative.
«Разница между теорией и экспериментом, которую мы сейчас видим, составляет пять стандартных отклонений. Естественное объяснение такого несовпадения требует наличия новых частиц с массами порядка 100-200 ГэВ. Но эта область уже проверена на Большом адронном коллайдере, и мы знаем, что до уровня порядка 1000 ГэВ новых элементарных частиц не наблюдается, – заключает Иван Логашенко. – Модели Новой физики, которые объясняют такую большую разницу, становятся все более изощренными по мере того, как в экспериментах на БАК “закрываются” более простые возможности. Если уточненное предсказание теории приблизится к экспериментальному значению, это будет означать, что возможное “окно”, где надо ожидать новых частиц, сдвигается в область больших энергий, и в этом случае картина становится самосогласованной – то, что мы видим на БАК и то, что мы видим при помощи проверки АМММ, начинает согласовываться друг с другом. И очень важно увеличить точность теоретического расчета, ведь именно точность, с которой мы знаем разницу между теорией и экспериментом, определяет то, как сильно мы сможем ограничить параметры возможных моделей Новой физики (если разница будет совместима с нулем) или как точно мы сможем указать свойства новых частиц и взаимодействий (если разница будет значимой)».