Это удалось сделать с помощью экспериментов на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000
Физики из коллаборации КМД-3, работающие на коллайдере ВЭПП-2000, исследовали рождение пар заряженных пионов в результате столкновения электронов и позитронов. Полученный в результате эксперимента пионный форм-фактор слега отличился от форм-фактора, измеренного другими научными группами. Новый результат смягчает проблему аномального магнитного момента мюона примерно в четыре раза — теперь теория согласуется с экспериментом в пределах одного стандартного отклонения. О своем результате физики сообщили на пресс-конференции, проходившей 18 апреля в Институте ядерной физики имени Будкера. С деталями исследования можно ознакомиться по препринту на arXiv.org.
Загадки аномального магнитного момента мюона — одна из самых острых проблем современной физики. Все дело в разногласии между предсказаниями, сделанными в рамках Стандартной модели, и результатами экспериментов, которое в 2021 году достигло 4,2 сигмы, что лишь слегка меньше, чем критерий надежного открытия — пять сигм, — принятый в физике элементарных частиц.
Причины этой проблемы могут быть спрятаны в систематических ошибках эксперимента, а могут — в неизвестных ранее взаимодействиях: Новой физике. Нельзя сбрасывать со счетов и ошибки вычислений в рамках Стандартной модели, учитывая то, насколько они сложные. Действительно, мюон более чем в 200 раз тяжелее электрона, а это значит, что виртуальные процессы, в которых он участвует и которые формируют величину его магнитного момента на тонком уровне, богаче, чем у его лептонного «собрата».
В случае с мюоном физики должны учитывать все возможные взаимодействия, а не только электромагнитные (подробнее о том, как физики считают в рамках квантовой электродинамики (КЭД), читайте в материале «Щель в доспехах»). И если КЭД-поправки и поправки на слабое взаимодействие удается вычислить из первых принципов, то для сильных вкладов ученые предпочитают опираться на параметры, извлеченные из экспериментов по превращению лептонов в адроны (вклады адронной поляризации вакуума).
Чтобы измерить их, физики, работающие на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2000, расположенном в Институте ядерной физики имени Будкера, Новосибирск, с 2013 года исследуют то, с какой вероятностью столкнувшиеся электроны и позитроны превращаются в разнообразные адроны. Самый важный вклад при этом исходит из процессов, завершающихся рождением пары заряженных пионов — он составляет более 70 процентов всего адронного вклада. Измерение соответствующих сечений, сделанные командой детектора КМД-3, привело к неожиданным результатам: пион-антипионные пары рождаются чаще, чем считалось ранее.
ВЭПП-2000 начал свою работу в 2010 году. Он позволяет разгонять пучки заряженных частиц до энергии в два гигаэлектронвольта в системе центра масс, его проектная светимость достигает 1032 частиц на квадратный сантиметр в секунду. За рождающимися в процессе столкновения частицами следят два детектора: сферический нейтральный детектор СНД и криогенный магнитный детектор КМД-3.
Замечательная особенность коллайдера в том, что диапазон до двух гигаэлектронвольт, в котором он работает — это как раз тот регион, в котором пертурбативные (то есть, основанные на разложении по малости константы взаимодействия) методы квантовой хромодинамики перестают работать. В новом исследовании физики сконцентрировались на поиске пионов в энергетическом диапазоне столкновений от 0,32 до 1,2 гигаэлектронвольта, достигнув за три измерительных сезона интегральной светимости 62 пикобарн.
Параметров детектора КМД-3 хватило, чтобы достигнуть систематической неопределенности в измерении пионного форм-фактора, равной 0,7 процента. Такой точности оказалось досточно, чтобы обнаружить, что новый форм-фактор слегка отличается в большую сторону от пионных форм-факторов, измеренных в предыдущих экспериментах. Наибольшие отличия были найдены в области энергий от 0,6 до 0,75 гигаэлектронвольта — там результат физиков с КМД-3 был больше на пять процентов, но при этом согласовался с недавними расчетами, выполненными методом решеточной КХД.
Несмотря на такую малость, разница существенна при оценке вкладов от рождения пионов в аномальный магнитный момент мюона. Если опираться на новый форм-фактор, то расхождение между Стандартной моделью и экспериментом для этой величины уменьшается примерно в четыре раза. Фактически, это означает, что расчеты магнитного момента в пределах Стандартной модели теперь сходятся с экспериментом.
Поправка
В первоначальном варианте заметки было сказано, что расхождение теории и эксперимента по определению аномального магнитного момента мюона уменьшилось в два раза. Об это сообщал пресс-релиз, поступивший в редакцию. На самой конференции физики поделились более оптимистичными, хотя и предварительными оценками, поэтому мы исправили заметку.
Возможно, результаты работы КМД-3 впоследствии приведут к закрытию аномалии. Похожие процессы происходят сейчас в нейтринной физике, где крупные эксперименты, один за другим, отклоняют гипотезу стерильных нейтрино, которая была призвана объяснить крупные аномалии (подробнее об этом читайте в материале «Чистая аномалия»).