3 июня 2025 года коллаборация Muon g-2 обнародовала итоговые результаты эксперимента по измерению аномального магнитного момента мюона, который уточнит понимание структуры микромира.
Современная теория микромира, или Стандартная модель (СМ), объединяет все наши знания о том, как устроена природа на самом фундаментальном уровне. Она успешно объясняет многие явления и подтверждена экспериментально, но все же не является последней физической теорией человечества. Существует множество астрофизических наблюдений, которые указывают на то, что СМ справляется не всегда. Например, ученые точно знают, что Вселенная на четверть состоит из темной материи, но в СМ для нее места нет. Поэтому важная задача современной физики – это определение области применимости СМ и поиск явлений за ее рамками. Провести всеобъемлющую проверку СМ можно, зная лишь значение одной величины – аномального магнитного момента мюона (АМММ). Идея состоит в том, чтобы измерить величину АМММ с максимально возможной точностью и сравнить ее с предсказанием теории (СМ). Если эти числа согласуются, это означает, что на достигнутом уровне точности теория верна, а если нет – значит мы наблюдаем явления за ее рамками, то есть проявления Новой физики. При таком сравнении точность и измерения, и расчета играют ключевую роль – именно она определяет, как глубоко мы «заглянули» внутрь микромира.
3 июня 2025 года международная коллаборация Muon g-2 сообщила итоговую величину АМММ Muon g-2 сообщила итоговую величину АМММ, измеренную в эксперименте, который в течение последнего десятилетия проводился в Фермилаб (США). Была достигнута рекордная в мире точность 127 миллиардных долей, или около 0.000013%. Неделю назад, 27 мая 2025 года, коллаборация Muon g-2 Theory Initiative опубликовала актуальный расчет величины АМММ, предсказанной СМ. Точность теоретического расчета пока что уступает эксперименту. Результаты измерения и расчета прекрасно согласуются между собой, что означает, что СМ прошла проверку на новом уровне точности. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) входит в обе коллаборации. В значительной степени именно прецизионные результаты, получаемые на коллайдере ВЭПП-2000, определяют точность теоретического предсказания АМММ. В ближайшие несколько лет новосибирские физики планируют масштабную модернизацию коллайдера ВЭПП-2000, которая позволит повысить точность предсказания АМММ в несколько раз и сделает ее сопоставимой с точностью нового измерения Фермилаб.
АМММ, который измерялся в эксперименте Muon g-2, это дополнительный вклад в величину магнитного момента мюона, который возникает из-за того, что мюон взаимодействует с виртуальными частицами, которые все время рождаются и исчезают даже в пустом пространстве, в вакууме. Уникальность АММ мюона состоит в том, что он очень чувствителен к вкладу всех частиц и сил, которые существуют в природе – даже тех, которые не описываются СМ. АМММ есть у любой заряженной частицы, но наиболее интересно его изучать именно у мюона, потому что по меркам микромира мюон живет относительно долго (целых 2 микросекунды), что позволяет провести измерение с очень 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 – а именно такие новые частицы предсказывают многие модели, расширяющие СМ. Под расширениями СМ физики подразумевают более общие теории, которые предсказывают и описывают явления за рамками существующей теории микромира, иногда их также называют теориями Новой физики.
Эксперимент Muon g-2 стартовал в 2017 г. Он стал продолжением предыдущего измерения АМММ, который проводился в Брукхейвенской лаборатории (БНЛ, США) в конце 90-х – начале 2000-х. Часть оборудования, в том числе мюонное накопительное кольцо, было перевезено из БНЛ в Фермилаб. Более десяти лет специалистам потребовалось, чтобы спланировать и подготовить эксперимент. В 2017 г. начался набор данных, который продолжался в течение шести лет. За этот период коллаборация два раза объявляла результаты измерения АМММ (в 2021 г. и в 2023 г.), которые были основаны на обработке части набранных данных. Уже тогда эксперимент был более чем в два раза точнее результата БНЛ. В 2025 г. Фермилаб поставил финальную точку – результат, объявленный 3 июня, получен на основе полного массива данных, а эксперимент считается завершенным.
«Это очень волнующий момент, мы не только достигли своих целей, но и превзошли их, что не так-то просто для таких точных измерений, – прокомментировал руководитель коллаборации Muon g-2, физик Аргоннской национальной лаборатории Питер Винтер в официальном пресс-релизе Фермилаб.
«Muon g-2 очень успешный эксперимент по многим параметрам, – добавил заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе, заведующий кафедрой физики элементарных частиц НГУ член-корреспондент РАН Иван Логашенко. – Чтобы настолько увеличить точность, потребовалось набрать в 20 раз больше данных, чем в эксперименте Брукхейвенской лаборатории, а это само по себе является огромным достижением. Удалось снизить все неточности эксперимента на беспрецедентном уровне. Над экспериментом трудилась международная коллаборация из 200 физиков многих стран мира, в том числе из России, из нашего Института. На данный момент – это самое точное измерение АМММ. В ближайшие 10 лет на ускорительном комплексе J-PARC (Япония) планируют сделать свое измерение АМММ и, возможно, побить рекорд Фермилаб, но это еще очень далекое будущее».
ИЯФ СО РАН принимает участие, как в завершившемся эксперименте Muon g-2, так и в работе коллаборации Muon g-2 Theory Initiative.
«Суть того способа, который позволяет провести всеобъемлющую проверку СМ, состоит не только в измерении АМММ, но и в сравнении получившегося значения с той величиной АМММ, которую предсказывает СМ, – пояснил Иван Логашенко. – Совпадение этих чисел означает, что теория верна и что мы все в ней понимаем на том уровне точности, которого достигли. Если же разница между ними большая, это говорит об обратном, что мы видим явления за рамками СМ».
В 2023 г. Muon g-2 представил результат измерения АМММ, основанном приблизительно на 1/3 всех данных, набранных в эксперименте. На тот момент предсказание СМ было основано на расчете, проведенным коллаборацией Muon g-2 Theory Initiative и опубликованным в 2020 г. Разница между двумя этими значениями тогда была довольно большой – почти пять стандартных отклонений, или пять сигм. Этот факт в физическом сообществе обсуждался, как потенциальное наблюдение Новой физики, то есть физики за рамками Стандартной модели.
