Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2

Ученые обнаружили признаки существования пятой силы природы. В этом им помог эксперимент с мюоном g-2 — он показал отклонение от Стандартной модели. Рассказываем, что это такое, о какой новой силе идет речь и что стоит за новым открытием.

С чего все началось?

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Национальной ускорительной лаборатории Ферми вместе с сотрудниками из 46 других учреждений и семи стран проводят эксперимент, чтобы проверить наше нынешнее понимание Вселенной. Первый результат указывает на существование неоткрытых частиц или сил. Эта новая физика может помочь объяснить давние научные загадки, что приведет к новому пониманию нашей Всленной и разработке новых технологий.

Представители проекта Muon g-2 («Мюон джи минус два») огласили первые результаты измерений магнитных свойств мюонов. Проект Muon g-2 — продолжение эксперимента, который начался в 90-х годах в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, когда ученые измерили магнитное свойство фундаментальной частицы, называемой мюоном. Эксперимент в Брукхейвене дал результат, который отличался от значения, предсказанного Стандартной моделью, лучшим описанием учеными структуры и поведения Вселенной. Новый эксперимент представляет собой воссоздание эксперимента Брукхейвена, созданный для того, чтобы оспорить или подтвердить несоответствие с более высокой точностью.

Недавно ученые выяснили, что в поведении мюонов есть почти неоспоримые следы «новой физики» — то есть явлений, которые не описывает основная теория физики элементарных частиц — так называемая Стандартная модель. Об этом рассказал официальный представитель проекта Крис Полли, выступая на онлайн-брифинге для журналистов.

«Мы двадцать лет ожидали этого результата. Он критически важен для понимания того, что именно было причиной расхождения в измерениях 20-летней давности и предсказаниях Стандартной модели. Мы удвоили точность измерений и не нашли ничего, что противоречило бы прошлым результатам. Это дает большие надежды на открытие „новой физики“ в поведении мюонов», — рассказал ученый.

Но это не все.

Два разных эксперимента с мюонами (в США и Европе) в итоге показали неожиданные результаты. Мюоны вели себя не так как от них ожидали, за пределами Стандартной модели. Это может поменять представление ученых о том, как вообще все работает во Вселенной.

Опубликованные в 2021 году предварительные результаты экспериментов в ЦЕРНеи на объекте лаборатории Ферми в США бросают вызов представлениям физиков о Вселенной.

Что такое «новая физика»?

Стандартная модель —  общепринятая на данный момент теоретическая конструкция, описывающая взаимодействие всех элементанных частиц во Вселенной. Свод правил, называемый Стандартной моделью, был разработан около 50 лет назад. Эксперименты, проводившиеся на протяжении десятилетий, снова и снова подтверждали, что его описания частиц и сил, которые составляют и управляют Вселенной, в значительной степени верны. До настоящего времени.

В свою очередь, новая физика — физика за пределами Стандартной модели — относится к теоретическим разработкам, которые необходимы, чтобы объяснить недостатки СТ. Например, происхождение массы, сильная CP-проблема, нейтринные осцилляции, асимметрия материи и антиматерии, происхождение тёмной материи и тёмной энергии. Другая проблема заключается в математических основах самой Стандартной модели — она не согласуется с общей теорией относительности (ОТО). Одна или обе теории распадаются в своих описаниях на более мелкие при определённых условиях (например, в рамках известных сингулярностей пространства-времени, таких как Большой взрыв и горизонты событий чёрных дыр).

ESA/HUBBLE AND NASA

Теории, которые лежат за пределами Стандартной модели, включают в себя различные расширения Стандартной модели через суперсимметрию, такие, как Минимальная суперсимметричная стандартная модель и Следующая за минимальной суперсимметричная стандартная модель, либо совершенно новые объяснения, такие как теория струн, M-теория и дополнительные измерения. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с текущими наблюдаемыми явлениями или не доведены до состояния конкретных предсказаний, вопрос о том, какая теория является правильной (или по крайней мере «лучшим шагом» к Теории всего), может быть решён только с помощью экспериментов. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.

Стандартная модель очень точно предсказывает g-фактор мюона — значение, которое говорит ученым, как эта частица ведет себя в магнитном поле . Этот g-фактор, как известно, близок к значению два, и эксперименты измеряют его отклонение от двух, отсюда и название Muon g-2.

Эксперимент в Брукхейвене показал, что g-2 отличается от теоретического предсказания на несколько частей на миллион. Эта крохотная разница намекала на существование неизвестных взаимодействий между мюоном и магнитным полем — взаимодействий, которые могут включать новые частицы или силы.

К чему приведут новые открытия? Частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, могут помочь объяснить загадочные явления, как природа темной материи, загадочной и широко распространенной субстанции, о существовании которой физики знают, но её еще предстоит обнаружить.

А что такое мюоны?

Вся наша Вселенная построена из частиц размером меньше атома. Некоторые из этих частиц состоят из еще более мелких частиц, другие уже не дробятся. Это и есть элементарные частицы.

Мюоны как раз и являются такими элементарными частицами: они похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее.

В ходе эксперимента Muon g-2 частицы разгонялись по 14-метровому кольцу в циркулярном коллайдере под воздействием мощного магнитного поля.

Чтобы определить истинное значение g-2 мюона, ученые из лаборатории Ферми создают пучки мюонов, которые движутся по кругу через большое полое кольцо в присутствии сильного магнитного поля. Это поле удерживает мюоны в кольце и заставляет направление вращения мюона вращаться. Вращение, которое ученые называют прецессией, похоже на вращение земной оси, только намного быстрее.

Чтобы рассчитать g-2 с желаемой точностью, ученым необходимо измерить два значения с очень высокой точностью. Один из них — это скорость прецессии спина мюона при его прохождении через кольцо. Другой — это сила магнитного поля, окружающего мюон, которое влияет на его прецессию.

Согласно известным законам физики это должно было приводить к колебанию мюонов с определенной частотой. Однако физики обнаружили, что частота их колебаний оказалась выше предполагаемой. По их мнению, это может свидетельствовать о действии силы, ранее не известной науке.

Никто не знает точно, что еще, кроме воздействия на мюон, подвластно этой новой силе. Иными словами, поведение мюонов выходило за рамки того, что знают ученые. Физики задумались, а не причастна ли тут какая-то еще неизвестная, пятая сила?

О какой пятой силе идет речь?

Вся наша жизнь подчинена законам физики. Все эти силы, с которыми мы имеем дело каждый день, можно свести к четырем фундаментальным категориям взаимодействий: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.

Четыре фундаментальных силы определяют взаимодействие всех объектов и частиц во Вселенной.К примеру, сила тяжести, она же гравитация, заставляет объекты падать на землю и не позволяет отрываться от нее без приложения другой силы.

Но, как утверждает международная команда физиков, в ходе исследований в рамках эксперимента Muon g-2, проводившихся в лаборатории городка Батавия рядом с Чикаго, они, возможно, обнаружили новую, пятую силу природы.

«Мы обнаружили, что взаимодействие мюонов не согласуется со Стандартной моделью, — рассказал в интервью „Би-би-си“ руководитель эксперимента с британской стороны профессор Марк Ланкастер. — Понятно, что мы все в восторге, потому что это открывает будущее с новыми законами физики, новыми частицами и новыми, невиданными до сих пор силами».

Теоретики полагают, что она может быть каким-то образом связана с еще не открытой субатомной частицей.

Насчет этой гипотетической частицы есть сразу несколько предположений. Это может быть так называемый лептокварк (частица, переносящая информацию между кварками и лептонами) или Z-бозон (который сам для себя служит античастицей).

Эксперимент был поставлен в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб) в городе Батавия, штат Иллинойс, с целью изучения поведения субатомной частицы под названием мюон.

Два экспермента изменят наше понимание мира

Еще в прошлом месяце физики, проводившие эксперимент на Большом адронном коллайдере в Европе, отмечали, что полученные результаты могут свидетельствовать о наличии новой частицы и силы.

Долгое время в ЦЕРНе физики сталкивали протоны друг с другом, чтобы посмотреть, что произойдет после. Один из экспериментов измеряет, что происходит при столкновении частиц, называемых красными или нижними кварками.

Стандартная модель предсказывает, что эти крушения красивых кварков должны приводить к равному количеству электронов и мюонов. «Это похоже на подбрасывание монеты 1000 раз и получение примерно равного количества орлов и решек», — сказал руководитель экспериментов по красоте на Большом адронном коллайдере Крис Паркс.

Но этого не произошло.

На этой фотографии 2018 года, предоставленной ЦЕРНом, Николай Бондарь работает над мюонной системой LHCb на Большом адронном коллайдере Европейской организации ядерных исследований за пределами Женевы. (Максимилиан Брис, Жюльен Мариус Ордан / ЦЕРН)

Исследователи внимательно изучили данные за несколько лет и несколько тысяч аварий и обнаружили разницу в 15%. При этом электронов значительно больше, чем мюонов, сказал исследователь эксперимента Шелдон Стоун из университета Сиракьюса.

Что в итоге? 

Первый результат нового эксперимента полностью согласуется с результатами Брукхейвена, что усиливает свидетельство того, что предстоит открыть новую физику. Объединенные результаты Фермилаба и Брукхейвена показывают отличие от Стандартной модели при значении 4,2 сигмы (или стандартных отклонений), что немного меньше, чем 5 сигм, которые необходимы ученым, чтобы заявить об открытии, но все же убедительное свидетельство новой физики. Вероятность того, что результаты являются статистическими колебаниями, составляет примерно 1 из 40 000. И, все же, данные заставили физиков во всем мире задуматься, верно ли наше понимание мира. Такого не было со времен открытия бозона Хиггса, часто называемого «частицей Бога».

Британский Совет по научно-техническому оборудованию уже объявил, что результаты экспериментов в США дают весомые подтверждения существованию доселе неизвестной субатомной частицы или новой силы.

По словам исследователей, повторное проведение экспериментов — запланированное в обоих случаях — через год или два позволит достичь невероятно строгих статистических требований, предъявляемых физиками к открытию.

Если результаты подтвердятся, они перевернут «все остальные вычисления», сделанные в мире физики элементарных частиц. 

«Могут быть возобновлены усилия по поиску мюонов на Большом адронном коллайдере в поисках возможных намеков на новую физику, лежащую в основе значения g-2», — сказал Карлос Вагнер, физик-теоретик из Аргоннской HEP, который пытается объяснить эти явления. «Также может возобновиться интерес к созданию мюонного коллайдера, который может предоставить прямой способ проверки этой новой физики».

Как только ученые овладеют этой новой физикой, она сможет дать информацию космологическим и квантово-механическим моделям или даже помочь ученым изобрести новые технологии в будущем — возможно, следующую термоусадочную пленку.

В последние годы ученые столкнулись со множеством загадок Вселенной, и доказанное наличие новой силы очень помогло бы в их разгадке.


Читать далее

Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?

Ученые объяснили появление «пауков» на поверхности Марса

Исследователи впервые погрузились к самому глубоколежащему утонувшему кораблю

  • Автор: Анастасия Никифорова
СЛЕДУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ РАЗДЕЛА "Технологии"