Физики вернулись к исследованиям аномальных свойств мюона

Физики из Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми запустили первые мюонные пучки в установке Muon g-2. Новый эксперимент поможет уточнить величину аномального дипольного момента мюона — эксперименты начала XXI века показали, что он отличается от расчетного. Это расхождение может указать на существование новых частиц за пределами Стандартной модели и Новую физику, однако его статистической значимости еще не хватает для однозначного утверждения об открытии эффекта. О запуске установки сообщает пресс-релиз Fermilab.

Стандартная модель описывает взаимодействия между всеми известными элементарными частицами. Хотя это одна из наиболее проработанных и подтвержденных физических моделей — она предсказала существование бозона Хиггса — она не объясняет некоторые особенности нашего мира. К примеру, в рамках Стандартной модели нельзя объяснить существенно большую распространенность материи над антиматерией. Поэтому физики пытаются найти расширение Стандартной модели. Для этого ученым необходимо отыскать как можно больше проявлений этой Новой физики, не объяснимых и противоречащих традиционной теории. 

Например, в Большом адронном коллайдере физики ищут частицы, не предсказанные Стандартной моделью, а также необычные каналы распада известных частиц. Другие эксперименты основаны на очень точном измерении свойств материи. К примеру, элементарные частицы часто обладают магнитным моментом. Эта характеристика показывает, как частица ведет себя в магнитном поле. Он напрямую (прямо пропорционально) связан с другой известной характеристикой, спином. Соответствующий коэффициент пропорциональности, его еще называют g-фактором, можно вычислить в разных приближениях. Так, для электрона он примерно равен двум.

Отклонение от этой величины обусловлено тонкими эффектами квантовой электродинамики — рождением и аннигиляцией виртуальных частиц. Разница между экспериментальной величиной g-фактора и двойкой называется аномальным магнитным моментом. Он хорошо предсказывается из теории и чувствителен к любым не описанным частицам. Для электрона теоретическая и экспериментальная величины g-фактора отличаются не более чем на одну десятимиллиардную.

В 1990-2000-х годах в Брукхейвене был поставлен эксперимент по измерению прецессии спина мюона — тяжелого аналога электрона. Он получил название Muon g-2 («мюон джи минус два», по определению аномального магнитного момента). Оказалось, что аномальный магнитный момент мюона отличается от предсказанного. Причем величина расхождения превышает три стандартных отклонения — это значит, что вероятность получить такой результат случайно невелика. Но в физике элементарных частиц для открытия требуется статистическая значимость в пять сигма — в пять стандартных отклонений. Для этого требуется либо поднять точность эксперимента, либо увеличить статистическую выборку. 

Продолжить исследования мюонного магнитного момента решили физики лаборатории «Фермилаб». В лаборатории есть очень интенсивный источник мюонов. С его помощью ученые надеются нарастить статистику эксперимента и перешагнуть порог в пять сигма, требуемый для открытия, или показать, что наблюдаемое отклонение лишь статистический выброс.

В 2013 году инженеры перевезли главный элемент брукхейвенской установки — 15-метровый сверхпроводящий магнит — из Нью-Йорка в Иллинойс. Как сообщили руководители эксперимента, 31 мая 2017 года в установку были запущены первые пучки мюонов. Ожидается, что сбор научных данных начнется после калибровки и тестирования оборудования, в ближайшие месяцы. 

Если отклонение удастся подтвердить, оно укажет на существование новых частиц за пределами Стандартной модели. Интересно, что это не первый пример отклонений от Стандартной модели, которые наблюдаются на мюонах. Так, спектроскопия мюонного водорода (водорода, в котором электрон заменен на мюон) показывает, что радиус протона и дейтрона словно бы меняется в зависимости от того, какая частица движется вокруг него. Этот эффект не предсказывается Стандартной моделью. Статистическая значимость этого результата превышает семь сигма. Кроме того, с мюонами связано нарушение лептонной универсальности, фиксируемое экспериментом LHCb Большого адронного коллайдера.

Владимир Королёв