Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона
Эксперимент Muon g-2 в Фермилаб, который должен с высокой точностью измерить значение аномального магнитного момента мюона, представил первые результаты. Полученное значение совпало с результатами аналогичного эксперимента E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории, а вместе два измерения отличаются от предсказаний Стандартной модели со статистической точностью в 4,2σ. Такое отклонение от теории при дальнейшем уменьшении погрешности измерений может указать на существование еще не открытых частиц или сил в рамках Новой физики. Ученые рассказали о первых результатах на семинаре, а статья с подробным описанием эксперимента опубликована в журнале Physical Review Letters.
Большинство частиц в рамках Стандартной модели обладают собственным магнитным моментом, то есть с точки зрения магнитных свойств такие частицы в грубом приближении можно рассматривать как маленький магнит. Существование собственного магнитного момента обусловлено в первую очередь спином частицы: для электрона его значение было предсказано с высокой точностью еще в 1928 году. Согласно этим предсказаниям, в выражении магнитного момента электрона через спин должен фигурировать так называемый g-фактор, равный 2. Однако впоследствии (во многом благодаря изучению явления сверхтонкой структуры) физикам стало понятно, что вклад в магнитный момент электрона дает и его взаимодействие с квантами электромагнитного поля. Такое взаимодействие приводит к изменению фактического значения g-фактора на тысячную долю, но именно такое отклонение впоследствии было с высокой точностью измерено в эксперименте.
Аналогичные размышления применимы и для мюона — еще одного лептона, который в 207 раз тяжелее электрона. В этом случае, однако, нельзя ограничиться вкладом электромагнитного взаимодействия в его собственный магнитный момент. Именно большая масса мюона приводит к тому, что на его магнитное поле начинает влиять взаимодействие с массивными полями, в частности — с парами виртуальных массивных частиц, которые непрерывно рождаются и аннигилируют в вакууме. На языке диаграмм Фейнмана такое взаимодействие в первом порядке описывается с помощью однопетлевых диаграмм. Стандартная модель с учетом всех входящих в нее частиц позволяет предсказать вклад этих процессов в магнитный момент мюона. Поэтому физикам было интересно измерить аномальный магнитный момент мюона (который определяется как разность g-фактора мюона и 2, деленная пополам), ведь отклонение измерений от теоретических предсказаний могло бы указать на то, что мюон взаимодействует с неизвестными Стандартной модели массивными частицами или посредством неизвестных этой теории сил. Таким образом, отклонение аномального магнитного момента мюона от ожидаемого значения фактически подтверждало бы существование Новой физики.
Первые точные эксперименты по измерению аномального магнитного момента мюона провели в ЦЕРНе, но настоящий фурор произвели окончательные результаты эксперимента E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории, опубликованные в 2006 году. Измеренное тогда значение с учетом погрешности отличалось от современных предсказаний Стандартной модели со статистической точностью в 3,7σ, что уже говорит об очень заметном отклонении. Но такой точности не хватало для официального открытия, и было принято решение о создании аналогичной установки в Фермилаб, где уже умели создавать поляризованные пучки мюонов высокой плотности. Так появился эксперимент Muon g-2 в его последней вариации, который унаследовал от своего предшественника не только методологию, но и основную часть установки: из Лонг-Айленда в Чикаго перевезли кольцо сверхпроводящего магнита.
Теперь же участники эксперимента Muon g-2, физики из институтов США, Италии, Германии, Китая, Британии и других стран, в том числе российских ОИЯИ и ИЯФ имени Будкера, представили первые измерения аномального магнитного момента мюона, которые подтвердили результаты E821: полученное значение в пределах погрешности совпадает с измерениями Брукхейвенской национальной лаборатории и расходится с предсказаниями Стандартной модели со статистической точностью в 3,3σ. Относительная погрешность измерений составила 0,46 миллионных частей, а вместе два упомянутых результата дают значение с погрешностью в 0,35 миллионных частей и отличаются от предсказаний теории со статистической точностью в 4,2σ. Это значит, что такие данные укладываются в Стандартную модель с вероятностью в один случай из примерно 40 тысяч.
Сам эксперимент, как и E821, основан на том, что частица с аномальным магнитным моментом при попадании в магнитное поле начинает прецессировать подобно юле. Причем частота этой прецессии непосредственно зависит от величины аномального магнитного момента частицы. Сам мюон, в свою очередь, является нестабильной частицей, а в ходе его распада рождается электрон, причем направление его вылета зависит от ориентации мюона в пространстве. Этим и воспользовались экспериментаторы: они запускали поляризованные пучки мюонов с энергией в 3,1 гигаэлектронвольт в кольцо с крайне стабильным магнитным полем в 1,45 тесла и измеряли распределения вылета электронов в ходе распада мюонов. За самим магнитным полем физики следили с помощью эффекта магнитного ядерного резонанса, наблюдая за поведением изолированных в водной защите протонов. Такая техника позволяла проводить непрерывную калибровку измерений и достигнуть такой относительной точности полученных результатов.
В ходе представленного анализа использовались данные только первого сеанса работы эксперимента, после окончания которого в установку были внесены улучшения: увеличилась стабильность системы подачи пучка мюонов в магнит и уменьшились колебания температуры, влияющие на колебания магнитного поля. По мнению ученых, все это говорит о том, что в ходе следующих сеансов статистическая точность отклонения результатов от предсказаний Стандартной модели будет увеличиваться, а значит у физиков появится доказательство существования Новой физики. Полученные результаты, по словам экспериментаторов, должны подтолкнуть теоретиков к созданию расширений Стандартной модели с новыми полями и частицами с сильным взаимодействием с лептонами.
Магнитный момент с высокой точностью измеряют не только у мюона: ранее мы рассказывали о том, как физики с высокой точностью измерили отличия магнитного момента протона и антипротона. А отклонения от Стандартной модели все чаще находят в процессах с участием B-мезонов.
Никита Козырев