Частица мюон. Сенсационный замер: стандартная картина физики пошатнулась

Мы стали свидетелями, пожалуй, главного открытия в физике элементарных частиц после обнаружения бозона Хиггса, пишет Die Welt. Исследования еще не завершены, однако уже сейчас совершенно очевидно, что в физике грядет настоящая революция. Начало ей положила элементарная частица мюон.

Это, пожалуй, главное открытие в физике элементарных частиц после обнаружения бозона Хиггса. Сотрудники одной из американских лабораторий измерили элементарную частицу мюон и обнаружили крохотное отклонение. Это пошатнуло всю стандартную модель физики.

цена, разыгравшаяся в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в окрестностях Чикаго, вполне могла бы родиться в воображении какого-нибудь писателя-фантаста. Запечатанный конверт, на протяжении трех лет хранившийся в сейфе, аккуратно открыли в присутствии свидетелей.

В конверте находилось не что иное, как прежде секретный восьмизначный цифровой код — восемь случайно выбранных цифр. Один из ученых набрал код на клавиатуре. Компьютер заработал и через две минуты выдал цифровой ряд, который исследователи лаборатории Ферми (известной как Фермилаб) считают никоим образом не случайным: 0,00116592061.

Эта последовательность цифр повлекла за собой целый ряд публикаций, в частности в специализированном журнале Nature. И она означает, что теперь придется переписать, пожалуй, ключевую теорию физики элементарных частиц — так называемую стандартную модель. Это основное открытие в физике элементарных частиц последних лет — и небольшая научная революция.

С помощью секретного цифрового кода высчитанная последовательность цифр становится измеренным в Фермилаб магнитным моментом мюона — родственной электрону элементарной частицы, иногда называемой также «тяжелым кузеном» электрона. Этот показатель совсем немного превышает показатель, предсказанный стандартной моделью физики элементарных частиц: 0,00116591810. В то же время разница важна и символична для «новой физики», как говорят исследователи.

Поскольку с самого начала было понятно, что разница между теорией и реальным измерением (если оно вообще существует) будет чрезвычайно невелика, исследователи хотели исключить психологические эффекты при анализе показателей измерения. Так, часы, использовавшиеся в процессе измерения, с помощью секретного ключа были настроены неправильно.

Неверные в этом смысле результаты измерения физики в соответствии с правилами искусства оценили правильно и вполне ожидаемо пришли к неверному показателю. В итоге пересчета этого показателя с применением секретного кода хватило для того, чтобы получить «верные» результаты измерения. И теперь ученые уверены, что существует несоответствие, на которое просто невозможно закрыть глаза. Это, пожалуй, главное открытие в физике элементарных частиц с момента обнаружения бозона Хиггса в женевском исследовательском центре ЦЕРН в 2012 году.

Мюоны имеют тот же заряд, что и электроны, но их масса в 207 раз больше. Мюоны были открыты в 1937 году в качестве составной части космического излучения. Это, однако, вовсе не означает, что они прибыли к нам из глубин вселенной. Исследованные мюоны возникли лишь в земной атмосфере — при столкновении частиц космического излучения с молекулами воздуха. Мюоны — очень летучие частицы, распадающиеся примерно за две миллионные доли секунды.

Если ученые хотят исследовать мюоны, им необходимо создавать их в ускорителях. Там мюоны также возникают в результате столкновении других частиц. И тогда у ученых есть несколько сотых наносекунды, чтобы провести эксперименты с временно пришедшими в этот мир частицами.

Измерения, проведенные в Брукхейвенской национальной лаборатории в начале этого тысячелетия, впервые указали на то, что магнитные свойства мюона не соответствуют техническим прогнозам так называемой стандартной модели. Но сила прогноза этого одного замера была недостаточной для того, чтобы во всеуслышание объявить об отклонении от теории. Однако подозрения оставались. И эксперты Ускорительной лаборатории Ферми пошли у этих подозрений на поводу — в 2018 году он начали эксперименты.

С помощью сверхпроводящих магнитов в накопителе Фермилаб поддерживается существование мюонов до момента распада. Возникающие при этом позитроны — античастицы электронов — регистрируются детекторами, которые также замеряют их энергию. На основании показателей этой энергии в результате сложной последовательности вычислений рассчитывается сила магнитного момента мюонов.

В исследованиях участвовали около 200 физиков из 35 исследовательских центров в семи странах мира. Высчитанная ими последовательность цифр говорит о том, что в физическом понимании вселенной и частиц существует огромная дыра. Что именно из этого последует далее, пока непонятно. Вероятно, исследователям придется создавать новые частицы или силы, которые потом нужно будет встраивать в теоретический остов физики. Поиск новых частиц откроет новые перспективы для ученых, работающих в крупных лабораториях с ускорителями. С момента открытия бозона Хиггса в экспериментальной физике элементарных частиц никаких реальных прорывов не было.

На виртуальной пресс-конференции сотрудник Фермилаб Крис Полли (Chris Polly) показал на диаграмме на белое пространство между теоретическим и реально измеренным показателем магнитного момента мюона: «Мы можем с большой уверенностью сказать, что за этим что-то скрывается. Какие еще чудовища могут нас поджидать?»

Исследователи уверены, что не гоняются за химерами, потому что результаты их работы в большой степени совпадают с результатами, опубликованными в 2001 году их коллегами из Брукхейвенской национальной лаборатории. Тогда был высчитан еще более высокий показатель, чем у ученых из Ускорительной лаборатории Ферми. Однако в пределах допустимой погрешности результаты совпадают — и не поддаются объяснению в рамках стандартной модели.

В соответствии со строгими стандартами физики результаты исследований магнитного момента мюона в обеих лабораториях пока нельзя назвать официальным открытием в том смысле, что они действительно противоречат теории. Шанс, что результаты измерений окажутся статистической погрешностью, в настоящий момент составляет 1: 40 000. Это чрезвычайно мало, но все же больше, чем риск, что человек после прививки вакциной от AstraZeneca получит тромбоз как побочный эффект. По мнению немецких ученых, этот риск составляет 1: 100 000.

Тут надо, однако, заметить: большая разница между физикой и медициной заключается в том, что дальнейшие измерения или переработка уже собранных данных позволят улучшить этот показатель до 1: 40 000. Это соответствует вероятности ошибки в 0,0025%, но лишь когда цифра будет меньше 0,00005%, по словам физиков, можно будет с уверенностью говорить об открытии.

Эксперты из Фермилаб пока проанализировали лишь 6% всех данных, полученных за последние три года. В этой работе принимали участие, в частности, исследователи из немецкого Юлихского исследовательского центра. Часть аналитической работы была выполнена на суперкомпьютерах этого института. Опубликованные теперь в журнале Nature показатели получены на основании анализа 8 миллиардов мюонов из первой замеренной партии (эта работа была завершена еще в 2018 году).

Анализ второй и третьей партий еще продолжается, и уже идет четвертый замер, а пятый должен начаться осенью этого года. Таким образом, потребуется еще несколько лет, чтобы подвести окончательные итоги исследований. При этом их статистическая точность будет постоянно повышаться.

Однако, по словам ученых, уже сейчас «совершенно очевидно», что расхождения между теорией и практикой действительно есть и что мюон должен ознаменовать собой нечто такое, о чем пока еще нет информации в стандартной теории. Так что уже в ближайшее время могут возникнуть догадки по поводу новых, пока не известных частиц и сил — и о «новой физике».