Наука и образование

Мюоны преподносят новый сюрприз!

7 апреля 2021 года эксперимент Muon g-2, который проводится международным коллективом физиков в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (Фермилаб, США), объявил о новом прецизионном измерении аномального магнитного момента мюона. Новые экспериментальные данные, объединенные с данными предыдущих измерений, расходятся с предсказаниями Стандартной Модели на уровне 4.2σ, что может являться указанием на проявление новых фундаментальных частиц и взаимодействий. Этот результат вместе с указанием на нарушение лептонной универсальности в распадах прелестных адронов может перевернуть представление физиков об устройстве Вселенной на микроуровне.

За последний месяц в физике элементарных частиц появилось два новых интригующих результата. Новые измерения экспериментов Muon g–2 и LHCb бросают вызов Стандартной Модели физики частиц (СМ), то есть тому, как физики понимают устройство Вселенной на микроуровне. Эти измерения — масштаба Нобелевской премии — могут являться косвенным указанием на существование Новой физики. Они дают указание на отклонение от предсказаний СМ для мюонов. Приятно, что в открытии принял участие сотрудник нашего Института Николай Федорович Бондарь —  именно его фотографию на фоне мюонной системы LHCb поместило на обложку своей новости издание The Washington Post (см. фото 1) и ещё многие другие печатные американские издания.

Напомним, что в марте эксперимент LHCb сообщил об указании на нарушение лептонной универсальности. Это нарушение проявляется в том, что распады прелестных мезонов B⁺ → K⁺l⁺l^– (l = µ, e) с испусканием μ⁺μ^–-пар идут на 15% реже, чем с испусканием пар e⁺e^–. Измерения расходятся с предсказаниями СМ на уровне, превышающем три стандартных отклонения. Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ внесли большой вклад и в эту экспериментальную работу. Они разработали, создали и обеспечили стабильную работу мюонной системы LHCb.

В чем же заключается эффект, который измерил эксперимент Muon g–2?

Мюоны – точечные фундаментальные частицы СМ, обладающие зарядом, а также спином. Они нестабильны и распадаются преимущественно на электрон и два нейтрино. Заряд и спин мюона определяют силу его взаимодействия с электромагнитным полем. В частности, магнитный момент мюона (μ) – величина, определяющая силу взаимодействия мюона с магнитным полем – определяется выражением:

μ = geS / (2m),

где e, S и m – заряд, спин и масса частицы, g – спиновый гиромагнитный фактор. Если у частицы со спином ½ нет внутренней структуры, то значение g должно быть очень близко к 2, но не равно этому числу. Отличие связано с вкладом виртуальных частиц. Диаграммы, иллюстрирующие такие поправки, приведены на рисунке 2. Важно, что вклад этих диаграмм точно рассчитывается в рамках СМ, поэтому, измеряя величину аномального магнитного момента мюона (a_μ), определяемую как a_μ = (g–2)/2, можно проверить, а нет ли в природе других новых фундаментальных частиц?

Результаты самого точного предыдущего измерения величины a_μ, выполненного экспериментом E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL, США) и опубликованные в 2006 году, расходятся с современными предсказаниями СМ на уровне 3.7 σ. Этот очень интригующий экспериментальный результат явно нуждался в увеличении точности. За это взялась международная команда физиков, которая сейчас выполняет новый эксперимент в Фермилаб. О результатах первой фазы этого проекта экспериментаторы сообщили 7 апреля 2021 года.

Обработав первую порцию данных, международная коллаборация Muon g–2, увидела отличие от предсказаний СМ на уровне 3.3σ. Если объединить эти результаты с результатами, полученными в BNL, то общее расхождение достигнет величины 4.2 стандартных отклонения (см. рисунок 3). Эксперимент Muon g-2 сейчас ведет набор новых данных, поэтому скоро ожидается дальнейшее экспериментальное уточнение величины аномального магнитного момента мюона.