Физики ограничили вклад еще не открытых бозонов в аномальный магнитный момент электрона
Эксперимент NA64 в ЦЕРНе не увидел следов еще не открытых легких бозонов в процессе рассеяния электрона высоких энергий на ядрах мишени, и тем самым ограничил возможный вклад таких частиц в аномальный магнитный момент электрона. Кроме того, физики обновили верхние пороги на константу взаимодействия таких частиц с электроном. Точность полученных ограничений на вклад бозонов в аномальный магнитный момент электрона оказалась на порядок меньше той точности, с которой сейчас удается его измерять. Это значит, что существование еще не открытых легких бозонов, взаимодействующих с электроном, не позволяет объяснить отклонения магнитного момента электрона от предсказаний Стандартной модели. Статья принята к публикации в журнале Physical Review Letters, а ее препринт доступен на сайте arxiv.org.
У электрона, как и у множества других частиц в рамках Стандартной модели, есть собственный магнитный момент. Фактически это значит, что с точки зрения магнитных свойств электрон — очень маленькая магнитная стрелка с очень слабым собственным магнитным полем. В первом приближении этот магнитный момент обусловлен спином частицы, причем величина этого магнитного момента пропорциональна спину электрона с коэффициентом из фундаментальных констант и так называемого g-фактора. Согласно предсказаниям Дирака, которые ученый получил еще в 1928 году, этот g-фактор для фермионов (к ним, в частности, относится электрон) должен быть равен двойке.
Позже, однако, стало ясно, что на самом деле это не так: на магнитный момент фермионов также влияют и виртуальные частицы, которые в рамках Стандартной модели непрерывно рождаются и исчезают парами в вакууме. В первом порядке такое взаимодействие описывается однопетлевыми диаграммами Фейнмана, а в случае электрона основной вклад в его магнитный момент дает его взаимодействие с квантами электромагнитного поля, что приводит к изменению его g-фактора на тысячные доли. Для того чтобы в точности предсказать значение магнитного момента фермиона нужно учесть его взаимодействие со всеми существующими в мире частицами. Все эти вклады объединяют в так называемый аномальный магнитный момент, равный полуразности реального магнитного момента частицы и предсказанной Дираком двойки.
Получается, что аномальный магнитный момент фермионов чувствителен к существованию еще не открытых нами частиц: если измеренный магнитный момент с хорошей точностью отличается от теоретических предсказаний, то это значит, что теория что-то не учитывает. Такое открытие было бы доказательством Новой физики, а в измерениях аномального магнитного момента мюона к такому открытию уже приблизились вплотную: первые результаты эксперимент Moun g-2 действительно говорят о существенном отличии предсказаний теории и измеренных значений магнитного момента мюона. Подтверждение этого открытия позволило бы физикам косвенно доказать существование еще не открытых тяжелых частиц, ведь сам мюон относительно тяжелый и поэтому лучше взаимодействует с массивными полями.
Электрон, напротив, легкий по сравнению с мюоном, из-за чего основной вклад в его магнитный момент вносит именно электромагнитное взаимодействие. Но и тут ученые находят следы Новой физики: последние измерения аномального магнитного момента электрона в экспериментах с разными методами дают разные результаты (1, 2), и оба результата расходятся с предсказаниями Стандартной модели (один из них — на 1.6σ меньше, другой — на 2.4σ больше). Это, в частности, может означать, что электрон взаимодействует с еще не открытыми легкими бозонами, которые и влияют на его собственный магнитный момент.
Именно эту гипотезу и проверили участники эксперимента N64 в ЦЕРНе. В рамках этого эксперимента ученые сталкивали электроны с энергией 100 гигаэлектронвольт с фиксированной мишенью и следили за процессом рассеяния электронов на ядрах. Предполагается, что именно в таком взаимодействии могут рождаться легкие бозоны неизвестной природы, которые невидимы для детекторов, но о присутствии которых можно судить по унесенной ими энергии. Поэтому исследователи тщательно измеряли энергию всех продуктов такой реакции и проверяли, что в эксперименте не наблюдается «пропавшей» энергии. Для этого ученые создали модель фона в используемой установке и проанализировали данные за три года работы эксперимента, в ходе которых было зарегистрировано 284 миллиарда столкновений электронов с ядрами мишени.
В результаты физики не смогли обнаружить в данных следов существования неизвестных науке скалярных, псевдоскалярных, векторных или псевдовекторных бозонов с массой меньше 1 гигаэлектронвольта. Эти наблюдения они использовали для того, чтобы определить максимально возможную константу взаимодействия электрона с еще не открытыми бозонами: оказалось, что накопленных данных достаточно, чтобы практически на порядок усилить ранее полученные ограничения. Кроме того, ученые оценили вклад, который такие бозоны могут вносить в суммарное значение аномального магнитного момента электрона. Полученные пороги почти на всем диапазоне энергий оказались на порядок меньше значений, найденных в экспериментах по прямому измерению аномального магнитного момента электрона. Это значит, что существование еще не открытых легких бозонов не в состоянии объяснить наблюдаемые отклонения экспериментальных данных от предсказаний Стандартной модели. Тем не менее, ученые отмечают высокую точность эксперимента NA64, которая уже превысила таковую у экспериментов по прямым измерениям магнитных моментов частиц. По мнению физиков, в будущем это позволить расширить область поиска следов Новой физики на этой экспериментальной установке.
Следы Новой физики во взаимодействиях с электронами ищут и не только с помощью измерений аномального магнитного момента. К примеру, ранее мы рассказывали о том, как физики нашли следы существования темного бозона в переходах электрона между энергетическими уровнями изотопов иттербия.
Эксперименты с проверкой мартовского рекорда прошли научное рецензирование
Китайские физики попытались воспроизвести результаты по комнатной сверхпроводимости в легированном азотом гидриде лютеция при умеренном давлении, опубликованные в марте этого года их американскими коллегами. И хотя в новых экспериментах ученые увидели характерное изменение цвета, полученное их предшественниками, никаких признаков сверхпроводимости они не нашли. Ранее статья с результатами проверки была доступна лишь в виде препринта, но сейчас она прошла рецензирование и вышла в Nature. В марте этого года группа Ранги Диаса из Рочестерского университета опубликовала статью в журнале Nature, в которой утверждалось, что физики смогли получить комнатную сверхпроводимость при давлении в десять килобар для гидрида лютеция, легированного азотом. Это существенно меньше, чем предыдущий рекорд — миллион с лишним атмосфер, при которых сверхпроводит гидрит лантана при температуре, близкой к комнатной. В случае подтверждения другими группами результат группы Диаса существенно продвинет прогресс в поисках сверхпроводимости при более доступных для практического использования условиях. Авторы этой работы известны не только своими достижениями, но и пристальным вниманием коллег, которое привело к отзыву их предыдущей статьи. Тогда речь шла о сверхпроводимости твердого материала на основе сероводорода H3S и метана CH4 при 15 градусах Цельсия и 1,4 миллиона атмосфер. Подробности этой истории читайте в материале «Под давлением». Новое достижение группы Диаса тут же было подвергнуто тщательной ревизии и перепроверке со стороны других групп, в том числе и экспериментальных. Часть физиков, к примеру, смогла увидеть характерное изменение цвета материала при изменении давления, но никто пока так и не обнаружил сверхпроводимости в гидриде лютеция, легированного азотом. До этого момента все попытки повторить результат группы Диаса представлены лишь в виде препринтов, то есть статей, не прошедших рецензирование. Первыми, кому удалось попасть на страницы крупного научного журнала, стали физики из университета Нанджунга под руководством Хайя Ху Вэня (Hai-Hu Wen). Метод, которым китайские физики синтезировали легированный азотом гидрид лютеция, слегка отличался от метода группы Диаса. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ и рамановская спектроскопия подтвердили, что все три образца, изготовленные авторами, имеют ту же структуру с едва заметным отличием в постоянной решетки. Эксперименты при высоких давлениях подтвердили эффект изменения цвета: с темно-синего через фиолетовый к розовому. Однако это у группы Хайя Ху Вэня это произошло при куда большем давлении — в диапазоне 2–41 гигапаскаля против 10–320 мегапаскалей у группы Диаса. Авторы исследовали в этом диапазоне проводимость и намагниченность, но не нашли свидетельств сверхпроводимости вплоть до двух кельвин — образец демонстрировал металлические свойства. Но вряд ли новая публикация напрямую приведет к отзыву предыдущей — такое возможно, только если она поможет найти методологические ошибки. Это не первый случай в физике, когда результаты исследований, опубликованные в престижнейших научных журналах, противоречат друг другу. Совсем недавно такое произошло в физике элементарных частиц: масса W-бозона, измеренная с помощью данных с Тэватрона, существенно отличилась от таковой, измеренной на БАКе. Обсуждению этой ситуации посвящен материал «Камешек в ботинке».