Новые расчеты, похоже, раз и навсегда решили загадку физики элементарных частиц, над которой бились 25 лет. Но они также противоречат другим результатам экспериментов.
Рейдар Хан/Фермилаб
В течение 25 лет физики были озадачены проблемой, вероятность которой составляет один случай на миллион. Их представления о том, как должны колебаться определенные частицы в магнитном поле, расходились с тем, что они наблюдали в ходе экспериментов. Это несоответствие стало многообещающим намеком на то, что они, возможно, наблюдают неизвестные частицы. Затем, в 2021 году, эта надежда, казалось, угасла. Когда исследователи обновили метод своих теоретических расчетов, они обнаружили, что их прогнозы совпадают с экспериментальными результатами гораздо точнее, чем раньше, — с точностью до одной части на 100 миллиардов.
Но это, в свою очередь, породило другую загадку: старые расчеты кажутся вполне достоверными. Так почему же они не сходятся с новыми расчетами? Эти старые прогнозы основывались не только на теории, но и на результатах других экспериментов. Если старые расчеты противоречат новым результатам, а старые расчеты основаны на экспериментальных данных, значит, в этих старых экспериментах было что-то странное? Одна из многообещающих подсказок исходит от сибирского коллайдера частиц, который недавно начал демонстрировать результаты, резко отличающиеся от тех, что он и другие коллайдеры показывали в прошлом. Эти результаты вызвали бурную активность: физики пытаются выяснить, являются ли противоречивые измерения побочным эффектом различных экспериментальных процедур или же признаком того, что в конце концов появляются новые частицы.
Странные колебания
Частица, вокруг которой разгорелся спор, — это мюон, более тяжелый родственник электрона. Мюон ведет себя примерно как крошечный стержневой магнит. Если вращать его по кругу в магнитном поле, то из-за магнетизма он будет колебаться, описывая собственные, меньшие по размеру круги. Размеры этих кругов определяются числом, которое называется «g-фактор».
Если бы мюон существовал изолированно от других частиц, его g-фактор был бы равен ровно 2. Но квантовая теория требует, чтобы все остальные частицы влияли на g-фактор. При колебаниях мюон испускает такие частицы, как фотоны, которые существуют слишком недолго, чтобы их можно было зафиксировать в детекторах. Они могут испускать другие частицы, которые, в свою очередь, могут испускать еще больше частиц. Мюон быстро поглощает все эти быстротечные частицы, и единственное, что они оставляют после себя, — это то, что мюон начинает колебаться чуть сильнее. Благодаря этим сложным цепочкам испускания и повторного поглощения каждая существующая частица оказывает небольшое влияние на движение мюона.
Таким образом, точный размер избыточного колебания, мюонного g–2, бесценен как окно в квантовый мир. «Измерение мюонного g–2 позволяет косвенно определить, сколько частиц существует во Вселенной», — сказал Алекс Кешаварзи — старший научный сотрудник Университетского колледжа Лондона.
Поэтому, когда в 2001 году в ходе эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде был измерен g-фактор мюона, физики были в восторге от того, что он оказался больше, чем ожидалось. Для некоторых это стало намеком на то, что в природе существуют новые частицы — возможно, даже те, которые могут объяснить существование темной материи.
Физики решили проверить результат с помощью еще более точных измерений. В 2013 году магнитное кольцо Брукхейвенской национальной лаборатории в 15-метровом корпусе было перевезено с помощью целой цепочки барж и грузовиков в Национальную ускорительную лабораторию имени Энрико Ферми (Фермилаб) в Иллинойсе, где в рамках обновленной версии эксперимента планировалось собрать еще больше данных. Чтобы подготовиться к этому новому эксперименту, физики также приложили огромные усилия, чтобы разобраться в теоретическом прогнозе, который не согласовывался с полученными данными. Их задача состояла в том, чтобы до мельчайших деталей изучить цепочки испускания и повторного поглощения мюонов. В частности, в какой степени в этих цепочках участвуют частицы, связанные с каждой из четырех фундаментальных сил природы?
Расчёт для трёх из четырёх фундаментальных взаимодействий прост. Гравитация настолько слаба, что физики могут полностью ею пренебречь. А электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия можно вычислить с помощью стандартного метода. Однако с сильным взаимодействием справиться не так просто. Эта сила прочно связывает частицы, известные как кварки, в составные частицы, такие как протоны и нейтроны. Стандартные теоретические методы не работают в случае сильного взаимодействия. Поэтому физикам приходится проявлять творческий подход.
В своей докторской диссертации 2018 года Кешаварзи помог усовершенствовать альтернативный способ изучения сильного взаимодействия, называемый методом, основанным на данных. При использовании этого метода физики не пытаются предсказать, как часто мюоны будут испускать и поглощать группы кварков. Они просто измеряют это. В основном это происходит при столкновении электронов и их антиподов — позитронов. Материя и антиматерия аннигилируют друг с другом, образуя другие частицы, в том числе пучки кварков. Физики знают, что если появляется много кварков, то они тесно связаны с такими частицами, как электроны и позитроны. Короче говоря, чем больше кварков появляется при электрон-позитронных столкновениях, тем сильнее они будут влиять на мюон.
Используя метод, основанный на анализе данных, физики попытались рассчитать ожидаемый размер магнитного колебания мюона. Это предположение, опубликованное в июне 2020 года, резко отличалось от точного экспериментального измерения, проведённого в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в апреле 2021 года. Расхождение было настолько значительным, что почти достигло порога, необходимого для того, чтобы физики могли заявить об открытии новых частиц. Однако другой теоретический расчет показал бы иную картину.
Укрощение решеток
Не все физики использовали метод, основанный на данных, для расчета колебаний мюона. Некоторые работали над более чисто теоретическим методом. Этот подход напоминает то, что происходит при прогнозировании погоды. В принципе, можно понять, какая будет погода, отслеживая точный контур каждого дуновения ветра в атмосфере, но на практике это абсурдная задача. Вместо этого метеорологи делят атмосферу на большие области — трехмерную сетку — и рассчитывают, как в среднем меняется каждая область с течением времени.
Точно так же физикам слишком сложно отслеживать каждое сильное взаимодействие между каждой парой кварков. Поэтому физики используют метод, называемый решёточной квантовой хромодинамикой (сокращённо КХД, теория сильного взаимодействия), чтобы с помощью большой сетки смоделировать общее поведение кварков. В 2014 году сотрудничество между исследователями из Будапешта, Венгрия; Марселя, Франция; и Вупперталя, Германия — BMW group — началось с проекта по использованию решетчатой КХД для расчета мюонного g-фактора.
Брукхейвенская национальная лаборатория.
Сначала их прогнозы были в 10 раз менее точными, чем выводы, сделанные на основе данных. Частицы с низкой энергией имеют тенденцию к рассеянию, поэтому для определения их возможного положения требуется огромная решетка. Для частиц с высокой энергией нужна сетка сравнительно меньшего размера, но с очень мелкими ячейками. «Тогда было невозможно представить, что однажды решёточная модель достигнет такой же точности», как и метод, основанный на данных, — сказал Калман Сабо — профессор из Вупперталя, принимавший участие в разработке.
Группе BMW потребовалось десять лет на разработку хитроумных вычислительных методов и ожидание увеличения вычислительной мощности, чтобы получить достаточно большие и детализированные сетки. Но они справились. В 2021 году, в тот же день, когда Фермилаб опубликовала обновленные данные по мюону g–2, результат группы BMW появился в журнале Nature. Согласно расчетам на решетке, проведенным группой BMW, мюоны, полученные в Фермилабе, колебались именно так, как и должны были. С тех пор независимые группы, работающие с решеткой, опубликовали аналогичные расчеты.
Сегодня многие физики считают, что загадка мюона разгадана: согласно результатам моделирования на решетке, дополнительное колебание мюона можно полностью объяснить испусканием и повторным поглощением известных частиц, подчиняющихся известным законам известных взаимодействий.
Так почему же метод, основанный на данных, говорит об обратном?
Несогласованность экспериментов.
Чтобы понять, что происходит, физики изучают электрон-позитронные столкновения, лежащие в основе метода, основанного на данных. Предполагается, что эти столкновения дают прямое представление о поведении кварков, но расчеты, основанные на этих данных, расходятся как с последними экспериментальными результатами, так и с прогнозом BMW. Так что же на самом деле происходит после этих столкновений? В Новосибирске, на юге Сибири, с начала нового тысячелетия коллайдер ВЭПП-2000 периодически сталкивает электроны с позитронами. Это относительно «мягкий» коллайдер, работающий при энергии в 6000 раз меньшей, чем Большой адронный коллайдер ЦЕРН недалеко от Женевы.
В эксперименте VEPP-2000 используются два детектора, которые точно подсчитывают, как часто в результате столкновений электронов и позитронов образуются определенные пучки кварков, известные как пионы. Эти данные физики использовали для того, чтобы понять, насколько сильно сильное взаимодействие влияет на мюоны. В 2010 году физики установили совершенно новый детектор. С его помощью они смогли более точно измерить образования пионов, результаты чего были опубликованы в 2023 году. После обновления они обнаружили, что скорость значительно изменилась.
«Это было неожиданно. Никто не ожидал, что будет так», — сказал Федор Игнатов, физик из Ливерпульского университета в Великобритании и член команды. Физики заметили слабые намеки на то, что с частотой появления пионов происходит что-то странное. Они обратили внимание, что результаты экспериментов в Италии и США начали расходиться. Но резкое расхождение нового измерения с предыдущими результатами самого детектора, а также заявление коллаборации о высокой точности измерений не позволяли игнорировать ситуацию. Физики тщательно изучили результат. «Ни одно измерение не подвергалось такой тщательной проверке», — сказал Кешаварзи. Пока никаких проблем обнаружено не было.
По теме:
- Эксперимент «Последняя надежда» обнаружил доказательства существования неизвестных частиц
- Что происходит в протоне? Квантовая математика по-прежнему противоречит экспериментальным данным.
- Таинственные силы внутри ядра становятся чуть менее загадочными
Недавние расчеты на основе решеток согласуются с недавно измеренной скоростью. И предварительные данные с другого детектора на коллайдере VEPP-2000, похоже, тоже совпадают. Между тем анализ 2023 года данных, собранных ранее в ходе другого эксперимента на коллайдере, BABAR в Калифорнии, полностью согласуется с более ранними показателями.
Все это заставляет физиков задаваться вопросом, что на самом деле происходит во всех этих экспериментах на коллайдере. Расхождения указывают либо на признаки того, что неизвестные частицы взаимодействуют с кварками, либо на упущенные из виду детали, из-за которых создается ошибочное впечатление, что кварки ведут себя неправильно. В любом случае физики, изучающие элементарные частицы, не успокоятся, пока не разгадают новую загадку электрона и позитрона и не выяснят, какая из двух теорий верна. «Этому предшествовали четыре десятилетия измерений, которые проводились разными способами, разными людьми, в рамках разных экспериментов, и все они рисуют совершенно иную картину, — сказал Кешаварзи. — Нам еще многое предстоит сделать».
Исправление: 30 июля 2026 г.
В первоначальной версии этой статьи говорилось, что группа BMW провела моделирование, которое напрямую предсказывает новую частоту появления пионов. Расчеты BMW подтверждают новую частоту, но лишь косвенно. Другие группы, изучающие решёточные модели, более целенаправленно исследовали скорость распада пиона.