Наука и образование

Новые измерения аномального магнитного момента мюона

В августе эксперимент Muon g-2, который проводится международным коллективом физиков в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США), объявил о новом прецизионном измерении аномального магнитного момента мюона. Расхождение экспериментальных данных с предсказаниями Стандартной Модели (СМ) достигло уровня 5.1σ, что может являться указанием на проявление новых фундаментальных частиц и взаимодействий. Однако, возможно, в ближайшее время предсказания СМ могут слегка измениться. 

Два года назад мы писали про первые результаты международного эксперимента Muon g – 2, нацеленного на точное измерение так называемого аномального магнитного момента мюона. Напомним, что 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. Однако оно в точности не равно этому числу. Смещение относительно двойки определяется с вкладом виртуальных частиц, которые точно рассчитываются 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?

Сейчас физики, работающие в эксперименте Muon g – 2, представили результаты обработки данных экспериментальных сеансов 2019 и 2020 гг. Погрешность измерения величины a_μ удалось уменьшить в более чем два раза с 0,46×10^–9 до 0,20×10^–9. Новый результат показан на рисунке 1. Он согласуется с результатами предыдущих измерений и почти полностью определяет среднее значение и погрешность объединенного результата всех измерений. Полученные экспериментальные данные противоречат предсказаниям СМ. Статистическая значимость результатов, полученных в Лаборатории им. Э. Ферми, составляет 5 стандартных отклонений, а учет данных эксперимента E821 (Брукхейвенской национальной лаборатории, США) — увеличивает эту величине до 5,1σ.

Казалось бы, критерий открытия в физике частиц преодолён, но не все так радужно. Говорить о Новой физике пока может быть преждевременно. Все дело в том, что сами предсказания СМ могут в ближайшее время немного измениться. 

К сожалению, когда речь идет об учете поправок от известных частиц СМ, теория иногда вынуждена опираться на эксперимент. Так, в теоретический расчет входят экспериментально полученные значения так называемого пионного форм-фактора. Недавние измерения эксперимента КМД-3 (Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, Новосибирск) показали, что пион-антипионные пары рождаются немного чаще, чем считалось ранее. Полученный на основе этих данных пионный форм-фактор слегка отличается в большую сторону от форм-факторов, измеренных в предыдущих экспериментах. Таким образом, соответствующая поправка к величине a_μ оказывается больше. Сравнение поправок такого происхождения, основанных на результатах различных экспериментальных групп, приведены на рисунке 2. Если этот результат устоит, то предсказания СМ сдвинутся в район больших значений и расхождение может перестать быть статистически значимыми.

Таким образом, в физике элементарных частиц сложилась новая интригующая ситуация. Для её разрешения потребуются новые эксперименты.