[Перевод] Революционный эксперимент и новая физика27.04.2021 16:19

Стандартная модель физики — это безобразная, уродливая теория. Казалось бы, окончательная теория Вселенной должна быть упорядоченной, простой и красивой, но вместо этого Стандартная модель имеет 36 кварков и антикварков, 23 регулируемых параметра и 3 отдельных поколения частиц. Это неудобная и далеко не простая теория. И всё же, какой бы неприглядной она ни была, она проходила испытание за испытанием в течение последних 50 лет. Стандартная модель — одна из наиболее хорошо проверенных теорий физики, предсказывающая существование частиц, таких как бозон Хиггса, и за неё было получено более 50 Нобелевских премий. 

Масса недавно обнаруженных частиц даже находится в пределах 1% от значения, предсказанного моделью. Так что же происходит, когда самая успешная теория физики начинает трещать по швам? И почему это повод для празднования, а не беспокойства?

Чтобы понять, что произошло во время ставшего знаменитым эксперимента «Мюон g-2» в начале этого месяца, необходимо понять один важный аспект, касающийся частиц. Частицы несут электрический заряд. Благодаря электрическому заряду они также обладают магнитными свойствами. Движущаяся частица порождает магнитное поле, например, когда вращается вокруг своей оси или когда движется вокруг другой заряженной частицы. Частица не вращается так, как мы представляем себе вращение Земли вокруг своей оси, вместо этого она ведёт себя так, как будто имеет угловой момент — свойство, которое мы называем квантовым спином. При движении частица порождает магнитный момент.

Когда физики впервые проанализировали магнитный момент элементарных частиц, они обнаружили, что электрон вращается в магнитных полях в два раза быстрее, чем предсказывалось. «g-фактор» означает «гиромагнитное отношение», или отношение, связывающее магнитный и угловой моменты одной частицы. Ожидалось, что для электрона g-фактор равен 1, на самом деле он оказался ближе к 2. Электрон и мюоны почти идентичны. Их единственная отличительная черта: мюон тяжелее электрона и распадается немного по-другому. Поэтому ожидалось, что g-фактор мюона будет точно равен 2. Ни одно из предсказаний не было точным. Ни у электрона, ни у мюона g-фактор не равен 2.

Позже было установлено, что g-фактор электрона равен 2,002319304. Дополнительные разряды возникают из-за того, что во время движения электрон временно испускает, а затем поглощает фотон. На самом деле возможно любое количество превращений: электрон может испустить 2 фотона, или испущенный фотон может превратиться в пару из позитрона и электрона и так далее, и тому подобное. Эти небольшие преобразования суммарно влияют на магнитные свойства частицы и приводят к тому, что g-фактор лишь незначительно превышает ожидаемое значение 2.

С мюоном почти то же самое. На его магнитный момент влияет спонтанное появление различных частиц. Кроме этого, поскольку мюон в 207 раз тяжелее электрона, вероятность воздействия на него тяжёлых частиц в 43 000 (≈207²) раз выше. Более тяжёлые частицы означают более сильное изменение g-фактора.

Так что же такое g-фактор мюона? Каков его магнитный момент? В этом и заключаются вопросы, на которых зиждется эта проблема. Теоретические значения магнитного момента мюона не согласуются с экспериментальными. И, поскольку экспериментальные значения не согласуются с теми, что предлагаются Стандартной моделью, это поставило Стандартную модель под сомнение и открыло путь для совершенно новой теории физики.

В начале апреля в Фермилабе (штат Иллинойс) были проведены самые точные измерения магнитного момента мюона. Значение оказалось равным 2,00116592040 с неопределённостью в последних 2 цифрах ±54. Этот результат соответствует значению, измеренному в эксперименте E821 в Брукхейвене десятилетиями ранее. И оба они не согласуются с предсказаниями Стандартной модели. Таким образом, экспериментальное значение магнитного момента мюона на 2,5 части на миллиард больше значения, предсказанного Стандартной моделью (модель предсказывает 2,0011659182). Кому-то это несоответствие может показаться незначительным и смехотворным, но то, что кажется ничем для непрофессионалов, для физиков — целый океан различий.

Такой огромной разницы между теорией и экспериментом не должно было существовать с самого начала.

В настоящее время результат эксперимента Muon g-2 находится на уровне 4,2 сигмы. Измерение сигмы помогает нам выделить значительные результаты из незначительных. Чтобы претендовать на открытие, эксперимент должен достичь уровня 5 сигм. В этот момент вероятность статистической ошибки будет равна лишь 1 из 3,5 миллиона. 4,2 сигмы — это высокое захватывающее достижение, но это не уровень 5 сигм. 

Это означает, что, хотя, возможно, Стандартная модель ступила на зыбкую почву, сегодня она устояла. Между тем не обошлось без осторожного скептицизма со стороны некоторых учёных в отношении результатов эксперимента «Muon g-2».

Расчёт, проведённый тремя теоретиками и опубликованный в тот же день, что и результаты Фермилаба, оспаривает важность измерений. Их расчёт, выполненный с помощью суперкомпьютеров, предсказывает гораздо большее значение магнитного момента мюона. Это означало бы, что экспериментальное значение не отклоняется от теоретического. Это также означало бы, что аномалия, за которую новая физика цеплялась десятилетиями, внезапно исчезнет. 

Но этот расчёт не был воспроизведён другими исследовательскими группами и не является надёжным. По этой причине учёные должны оставаться объективными, но всё же правомерно взволнованными, чтобы видеть то, что может быть первым примером развития Стандартной модели.

Итак, какая «новая физика» может ожидать нас после подтверждения результатов эксперимента «Muon g-2»?

По крайней мере это может указывать на существование новых частиц, которые каким-то образом ускользают от наших инструментов наблюдения. Возможно, их слишком тяжело обнаружить даже с помощью наших самых мощных коллайдеров частиц, что делает их кандидатами на раскрытие тайны тёмной материи. Взаимодействие этих частиц с мюоном, возможно, вызывает расхождение в значении его магнитного момента. Некоторые учёные предположили существование новой симметрии, управляющей этими ещё неизвестными частицами. Эта симметрия может быть суперсимметрией — той самой, на которую опирается теория суперструн.

Эксперимент уже был выполнен три раза и в настоящее время выполняется в четвёртый раз. Объединённый анализ первых трёх прогонов будет выпущен примерно через год с целью уменьшить любую статистическую неопределённость вдвое. Если новые результаты, которые опубликуют в 2022 году, также разойдутся с теоретическими значениями и дополнительно подтвердят результаты эксперимента «Muon g-2» этого года, есть хороший шанс, что уровень 5 сигм будет достигнут. То есть весьма вероятно, что нас ожидает одно из самых захватывающих открытий, когда-либо случавшихся в области физики элементарных частиц.

Мы снова задаём исходный вопрос: почему нарушение Стандартной модели — это хорошо? Потому что мы всегда знали, что должно быть что-то лучше. Сама по себе Стандартная модель может быть эффективной и убедительной, но она неэлегантна и во многих отношениях не годится на роль окончательной теории физики нашей Вселенной. Возможно, нам показали путь к чему-то лучшему, даже если это означает, что придётся оставить позади то, что мы любим.

Как физика лежит в основе экспериментов с частицами, так и математика лежит в основе data science. Если вы хотите освежить в памяти или подтянуть математику — то можете обратить внимание на наш спецкурс «Математика для Data Science» или на его расширенную версию «Математика и Machine Learning для Data Science», в которую включены модули по машинному обучению.