[Перевод] Почему так важно точно измерить вращение крохотной частицы
Научные открытия бывают разными — неожиданное открытие радиоактивности или долгие поиски предсказанного бозона Хиггса. Но некоторые открытия получаются смешанными, когда некоторые намёки в данных указывают на будущие измерения, которые могут длиться годами. Сейчас как раз происходит научное исследование последнего типа, которое может вызвать большой резонанс в физике.
В феврале 2018 коллаборация из 190 учёных, работающих в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе начала использовать кольцевой массив магнитов диаметром 15 м чтобы провести одно из самых точных измерений за всю историю. В этом исследовании, названном «эксперимент джи минус 2» (g-2) учёные измерят аномальный магнитный момент редкой субатомной частицы, мюона, тяжёлого родственника электрона. Мюон в покое может существовать порядка 2,2 миллионных доли секунды.
Измерение магнитного момента, то есть, силы магнита, создаваемого мюоном, было проведено с погрешностью 10–12. Это всё равно, что измерить расстояние от Земли до Солнца с погрешностью в миллиметр. На сегодня расчётная и измеренная величины не совпадают, и это различие может стать первым намёком на физику за пределами Стандартной модели — текущей теории, описывающей субатомный мир.
Это было бы громким открытием, поскольку физики с удовольствием проделали бы дыру в превалирующей теории. Она привела бы к новой, улучшенной научной модели, лучше текущей справляющейся со своей задачей. А учитывая, что текущая теория довольно успешна, это действительно продвинуло бы наши знания вперёд.
Оказавшись в магнитном поле, мюоны начинают прецессировать, то есть, определённым образом колебаться. В магнитном поле мы можем измерить частоту прецессии. В это измерение входят заряд частицы и фактор g, используемый для проведения различий между определёнными вариантами теорий. В классической теории g = 1, а в нерелятивистской квантовой теории g = 2.
Измерения фактора g для электронов, начавшиеся вскоре после Второй Мировой войны, продемонстрировали небольшое отличие от теоретического значения, равного 2, и дали экспериментальный результат в 2,00232. Это отличие происходит из-за эффектов, описываемых теорией квантовой электродинамики, КЭД. Сконцентрировавшись на разнице между теорией и экспериментом, 0,00232, исследователи как бы вычли из результата двойку, почему эксперимент и был назван (g-2).
В квантовой электродинамике среди прочего мы изучаем существование виртуальных частиц, или того, что иногда называют квантовой пеной. Виртуальные частицы — это бульон из частиц материи и антиматерии, возникающих из небытия на малые доли секунды, и затем снова исчезающие, будто их и не было. Они появляются повсеместно, но оказываются особенно важными, когда появляются рядом с субатомными частицами.
С 1997 по 2001 года исследователи из Национальной лаборатории Брукхэвен измерили g-фактор мюона с точностью до 12 значимых цифр и сравнили этот результат с теоретическими подсчетами той же точности. Результаты не совпали. Чтобы понять важность этого расхождения, необходимо понять их погрешность. К примеру, если бы вы захотели узнать, кто из двух людей выше, и погрешность ваших измерений составит полметра, то вряд ли вы придёте к какому-либо убедительному заключению.
Разница между измеренным и расчётным результатами, делённая на комбинированную погрешность (то, что учёные называют сигмой), равняется 3,5. В физике частиц сигма, равная 3,0, считается убедительным доказательством, но для истинного открытия требуется значение 5,0.
Обычно следовало бы ожидать, что экспериментаторы в Брукхэвене улучшили бы свою установку и собрали бы больше данных, но на пути лаборатории встали непреодолимые препятствия. Поэтому исследователи решили перенести кольцо g-2 в Фермилаб, где есть ускоритель, способный выдать больше мюонов. Оборудование перевезли на 5000 км на барже по Восточному побережью и вверх по реке Миссисипи. В июле 2013 года оно прибыло в Фермилаб.
За прошедшие годы кольцо было полностью обновлено, были установлены улучшенные детекторы и электроника. У новой установки появились потрясающие возможности. Кстати, у жителей соседних районов есть легенда, что в лаборатории хранятся останки упавшей летающей тарелки. Дескать, как-то под покровом ночи из лаборатории выехал грузовик, сопровождаемый полицией, на котором под брезентом находился 15-метровый диск.
Коллаборация Фермилаб g-2 начала свою работу. Установка будет запущена и начнётся запись данных, которая продлится до начала июля.
Какой результат могут получить учёные? Если всё пройдёт, как ожидается, и значение g, измеренное в Фермилаб, окажется тем же, что померили в Брукхэвене, то у записанных в Фермилаб данных расхождение составит 5 сигм. А это будет означать открытие.
С другой стороны, результат Фермилаб может оказаться не таким, как в Брукхэвене. Новое измерение может совпасть с расчётами, и тогда никаких различий не будет.
Но что, если g-2 сделает открытие? Каков будет вероятный результат? Как я упоминал ранее, аномальный магнитный момент мюона очень чувствителен к существованию поблизости виртуальных частиц. Эти частицы немного изменяют магнитный момент мюона. Более того, сверхточное совпадение измерений и расчётов не было бы возможным, если бы виртуальных частиц не существовало.
Однако, что довольно очевидно, при расчётах использовались только известные виртуальные частицы. Одним из возможных объяснений наблюдаемого расхождения может быть существование в квантовой пене дополнительных, пока неизвестных субатомных частиц.
Стоит заметить, что открытия в области субатомных частиц десятилетиями находились в ведении ускорителей частиц высоких энергий. Знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2 описывает тождество массы и энергии. Поэтому, чтобы открыть тяжёлые частицы, требуется много энергии. На сегодня наиболее мощным ускорителем является Большой адронный коллайдер в ЦЕРН.
Однако, метод грубой силы для изготовления частиц — не единственный способ изучать область высоких энергий. Принцип неопределённости Гейзенберга говорит, что произойти могут даже энергетически «невозможные» события, если время их существования достаточно мало. Поэтому, возможно, что виртуальная частица, обычно не существующая, может появиться из небытия на время, достаточно долгое для того, чтобы повлиять на магнитный момент мюона. В таком случае очень точное измерение смогло бы выявить существование этой частицы. Это как раз тот случай, когда скальпель лучше кувалды, и, возможно, в этом деле эксперимент g-2 в Фермилаб сможет обскакать БАК.
Но стоит отметить, что история науки полна случаев, когда расхождения в 3 сигмы исчезали после сбора дополнительных данных. Поэтому не советую делать ставки на результат этого измерения. Расхождения могут оказаться статистической флуктуацией. Однако измеренное значение g-2 в Брукхэвене всё же может стать первым признаком открытия, меняющего парадигму. Записанные этой весной данные будут проанализированы осенью и результаты могут появиться уже в этом году. Результатов первый прогон эксперимента g-2 стоит ожидать с осторожным оптимизмом.
