Существующая теория микромира Стандартная модель (СМ) удивительно хорошо описывает фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, но некоторые астрофизические наблюдения указывают на то, что она не полностью объясняет физическую картину мира. Поэтому физики проверяют и уточняют СМ.
Международные коллаборации Muon g-2 и Muon g-2 Theory Initiative, в которые входит Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), проверяют СМ уникальным способом – при помощи сравнения всего лишь одной измеренной в эксперименте величины с ее значением, рассчитанным в теории. Эта величина – 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, которыми заполнен вакуум.
Задача физиков-экспериментаторов очень точно измерить АМММ, а теоретиков – рассчитать, что предсказывает СМ. Дальше все просто: измеренное и теоретическое значения нужно сравнить, если они согласуются, значит СМ верна, если между ними большая разница, значит существуют неизвестные силы и частицы, которые не описаны в СМ. До недавнего времени между актуальным экспериментальным значением АМММ, измеренным в 2023 г. коллаборацией Muon g-2, и теоретическим – рассчитанным в 2020 г. Muon g-2 Theory Initiative, было целых пять стандартных отклонений, то есть существовал серьезный намек на явления за рамками СМ.
27 мая 2025 г. Theory Initiative опубликовали обновленный расчет АМММ, который сильно приблизился к измеренному в эксперименте, и теперь разница между значениями составляет меньше одного стандартного отклонения, что говорит о том, что СМ пока выдержала эту проверку. Аналогичный результат был получен еще в 2023 г. физиками ИЯФ СО РАН на коллайдере ВЭПП-2000 в эксперименте КМД-3 (Криогенный магнитный детектор). Таким образом, новый расчет АМММ подтвердил полученные российскими физиками данные.
«У любой элементарной частицы есть магнитный момент, который, так уж устроена природа, хорошо известен, так как связан с ее зарядом, массой и спином, – прокомментировал заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, заведующий кафедрой физики элементарных частиц НГУ доктор физико-математических наук Иван Логашенко. – Зная эти свойства, мы можем предсказать, какой у частицы будет магнитный момент, если она находится в пустом пространстве, вакууме. Квантовая теория предсказывает, что даже абсолютно пустой вакуум заполнен ненаблюдаемыми частицами, всеми, которые существуют в природе (даже теми, о которых мы еще не знаем). Из-за такой структуры вакуума магнитный момент частицы немного изменяется, возникает добавка, которая называется аномальный магнитный момент».
Несмотря на то, что аномальный магнитный момент есть у многих частиц, физики выбрали для проверки мюон, потому что он живет относительно долго (целых 2 микросекунды) и его АММ можно измерить в эксперименте с высокой точностью. Еще одно преимущество мюона в том, что он более чем в 200 раз тяжелее электрона, и его АММ гораздо чувствительней, примерно в 43000 раз, к вкладу тяжелых частиц.
«Это очень интересное направление в физике элементарных частиц, которое позволяет с помощью одного числа провести всеобъемлющую проверку Стандартной модели, – добавил Иван Логашенко. – Но для того, чтобы сравнение имело смысл, необходимо, чтобы обе величины, и измеренная, и рассчитанная, были получены с высокой точностью».
Экспериментальным измерением АМММ занимаются более 60 лет. На данный момент наиболее точное значение получено в эксперименте Muon g-2 (Фермилаб, США). Еще дольше физики занимаются теоретическими расчетами АМММ. Первое предсказание было получено нобелевским лауреатом Д. Швингером еще в 1948 г. и с тех пор шла непрерывная работа по учету все более тонких эффектов. Чтобы объединить усилия в этом направлении около 10 лет назад была создана международная коллаборация Muon g-2 Theory Initiative, включившая в себя представителей экспериментов BaBar (США), KLOE (Италия), BESIII (Китай), Belle II (Япония), КМД-3 и СНД (Россия, ИЯФ СО РАН), а также научных групп, рассчитывающих АМММ при помощи компьютерного моделирования.
«Рассчитать с высокой точностью АМММ в рамках Стандартной модели – нетривиальная задача, – добавил Иван Логашенко. – В АМММ вносят свой вклад слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия. Но если вклад первых двух видов взаимодействий с высокой точностью рассчитываются при помощи теории возмущений, то вклад сильных взаимодействий этим теоретическим методом уже не посчитать. Поэтому еще в 60-х гг. XX века физики придумали обходной путь. Базовые законы микромира позволяют связать вклад сильных взаимодействий в АМММ с вероятностью рождения адронов, частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, при столкновении электронов и позитронов. На переднем крае этого направления находятся как раз эксперименты на коллайдере ВЭПП-2000 – оказалось, на нашей установке можно провести нужные измерения, и в значительной степени именно точность наших результатов определяет точность всего предсказания».
Область энергий, в которой работает ВЭПП-2000, от 0.36 до 2 ГэВ, как раз наиболее важна для определения вклада сильных взаимодействий в АМММ. Новосибирский коллайдер – самый производительный в мире в своей области энергий. С 2010 г., когда на нем начались эксперименты, был накоплен рекордный объем экспериментальных данных. Это позволило с помощью детектора КМД-3 провести очень точное измерение вероятности рождения адронов (пары пионов) при аннигиляции электронов и позитронов. Благодаря полученному КМД-3 в 2023 г. результату, теоретическое значение АМММ «сдвинулось» ближе к экспериментальному, которое в том же 2023 г. представил Фермилаб. Разница сократилась с пяти до одного стандартного отклонения.
27 мая 2025 г. коллаборация Theory initiative опубликовала результат нового расчета АМММ, основанного на другом методе теоретического расчета – решеточных вычислениях. Этот метод основан на компьютерном моделировании. В расчетные параметры закладываются базовые принципы физики сильных взаимодействий и проводится моделирование на суперкомпьютерах, в результате которого высчитывается вклад в АМММ. Полученный результат полностью согласуется с ранее опубликованным результатом КМД-3.
«Результаты, полученные в Новосибирске, существенно изменили точку зрения на проблему разногласий в АМММ, – прокомментировал координатор эксперимента КМД-3 по измерению вероятности рождения пары пионов Фёдор Игнатов. – Если до измерения КМД-3 научное сообщество было практически готово объявить об обнаружении Новой физики, то теперь акцент смещен в сторону того, что Стандартная модель, как и прежде, остается верной, и необходимо дальше продолжать повышать точность экспериментов и расчетов. Эксперимент КМД-3 с этой точки зрения является хорошим примером продвижения вперед. Количество зарегистрированных событий пар пионов в детекторе КМД-3 на порядок больше, чем использовалось во всех других подобных измерениях. Такой объем данных обеспечил возможность наиболее тщательного анализа всех факторов, которые могли бы повлиять на полученный результат. Было проведено большое число внутренних проверок и дополнительных измерений сопутствующих физических величин. Все это выгодно отличает наше исследование от прежних, и позволяет с высокой степенью уверенности считать измерение, выполненное в Новосибирске, наиболее точным».
Результат КМД-3 заметно отличается от результатов всех предыдущих экспериментов, в которых в разные годы измерялась вероятность рождения адронов при столкновении электрона и позитрона, таких как BaBar, BESIII, KLOE и др.
«Надежного объяснения, почему результат КМД-3 отличается от результатов предшественников, нет, и это активно исследуется многими научными группами в мире, – пояснил Иван Логашенко. – Очень важно, что результат КМД-3 согласуется с решеточными вычислениями, на результатах которых основан актуальный теоретический расчет АМММ. В свежей статье Theory initiative наши расчеты сравниваются, и видно, что они прекрасно согласуются, причем не только по итоговому числу, но и на каждом этапе вычислений».
По словам Ивана Логашенко, опубликованные Theory initiative результаты являются промежуточными. Для получения итогового расчета необходимо дождаться актуальных экспериментальных данных, которые обрабатываются BaBar, KLOE, BESIII, Belle II и появятся в ближайшие несколько лет. Также совсем скоро закончится обработка данных в эксперименте СНД на коллайдере ВЭПП-2000. Это позволит разобраться с наличием разногласий в экспериментах на электрон-позитронных коллайдерах.
«Учитывая все это, через несколько лет мы ожидаем финальный результат от Theory initiative, который будет объединять все данные, включая данные КМД-3. Это позволит увеличить точность расчета АМММ в 1.5 – 2 раза, и она станет сопоставимой с экспериментальным значением. Добавлю, что через несколько лет, которые понадобятся для модернизации детекторов КМД-3 и СНД на ВЭПП-2000, мы планируем провести еще одно измерение вклада сильных взаимодействий в АМММ, которое само по себе по точности будет сопоставимо с точностью эксперимента Фермилаб», – подчеркнул он.
Фиолетовый круг слева изображает рассчитанное в рамках теории значение АМММ коллаборацией Theory Initiative в 2020 г. Размер круга отражает точность измерения, чем он меньше, тем лучше мы знаем величину. Разница между теоретическим расчетом 2020 г. и измеренным в эксперименте Фермилаб значением АМММ в 2023 г. (красный круг справа) составляет пять стандартных отклонений
