Магнітний момент мюона був науковою загадкою через невелику різницю між його теоретичними та експериментальними значеннями, що свідчить про взаємодію з невідомими частинками або силами. Дослідження, що включають просунуте квантове моделювання, починають розгадувати ці розбіжності, надаючи розуміння фундаментальних властивостей мюонів та їх взаємодії у фізиці елементарних частинок. Авторство: SciTechDaily.com
Дослідники визначили походження розбіжностей у нещодавніх прогнозах магнітного моменту мюона. Їхні відкриття можуть сприяти вивченню темної матерії та інших аспектів нової фізики.
Магнітний момент — це внутрішня властивість частинки, що обертається, що виникає внаслідок взаємодії між частинкою та магнітом або іншим об’єктом із магнітним полем. Як маса та електричний заряд, магнітний момент є однією з фундаментальних величин у фізиці. Існує різниця між теоретичним значенням магнітного моменту мюона, частинки, що належить до того ж класу, що й електрон, і значеннями, отриманими в експериментах з високими енергіями, проведених у прискорювачах частинок.
Різниця проявляється лише з точністю до восьмого знака після коми, але вчені зацікавилися нею з моменту її відкриття в 1948 році. Це не деталі: це може вказувати на те, чи взаємодіє мюон з частинками темної матерії чи іншими бозонами Хіггса, чи навіть невідомо. . У цій операції беруть участь війська.
Неузгодженість магнітного моменту мюона
Теоретичне значення магнітного моменту мюона, позначеного буквою g, визначається рівнянням Дірака, сформульованим англійським фізиком і лауреатом Нобелівської премії 1933 року Пауло Діраком (1902-1984), одним із засновників квантової механіки та квантової електродинаміки. – як 2. Однак експерименти показали, що g не зовсім дорівнює 2, і існує великий інтерес до розуміння «g-2», тобто різниці між експериментальним значенням і значенням, передбаченим рівнянням Дірака. Найкраще доступне експериментальне значення, отримане з вражаючою точністю в Національній прискорювальній лабораторії Фермі (Fermilab) у США та оголошене в серпні 2023 року, становить 2,00116592059 з діапазоном невизначеності плюс-мінус 0,00000000022.
«Точне визначення магнітного моменту мюона стало головною проблемою у фізиці елементарних частинок, оскільки дослідження цього розриву між експериментальними даними та теоретичними прогнозами може надати інформацію, яка може призвести до відкриття деяких дивовижних нових ефектів», — сказав фізик Діого Бойто, професор Інститут фізики університету Сан-Карлос, Сан-Паулу (IFSC-USP) до FAPESP.
Стаття на цю тему Бойто та його співробітників була опублікована в журналі Листи фізичного огляду.
Нові висновки з досліджень
“Наші результати були представлені на двох важливих міжнародних заходах. Спочатку мною під час семінару в Мадриді, Іспанія, а потім моїм колегою Мартіном Гольтерманном з Державного університету Сан-Франциско на зустрічі в Берні, Швейцарія”, – сказав Бойто.
Ці результати ідентифікують і вказують на походження розбіжностей між двома методами, які використовуються для поточних прогнозів для мюона g-2. “На даний момент існує два методи визначення фундаментального компонента g-2. Перший заснований на експериментальних даних, а другий – на комп'ютерному моделюванні квантової хромодинаміки, або КХД, теорії, яка вивчає сильну взаємодію між кварками. Ці два методи призводять до дуже різних результатів, що є великою проблемою». Він пояснив, що поки цю проблему не буде вирішено, ми не можемо досліджувати внесок можливих екзотичних частинок, таких як нові бозони Хіггса або темна матерія, наприклад, у g-2.
Дослідження успішно пояснює цю розбіжність, але щоб зрозуміти це, нам потрібно зробити кілька кроків назад і почати спочатку з більш детального опису мюона.
Накопичувач мюонів у Fermilab. Авторство: Reidar Hahn, Fermilab
Мюон — це частинка, що належить до класу лептонів, як і електрон, але має значно більшу масу. З цієї причини він нестабільний і виживає лише дуже короткий час у контексті високої енергії. Коли мюони взаємодіють один з одним у присутності магнітного поля, вони розпадаються і знову збираються у вигляді хмари інших частинок, таких як електрони, позитрони, бозони W і Z, бозони Хіггса та фотони. Тому в експериментах мюони завжди супроводжуються багатьма іншими віртуальними частинками. Їхній внесок робить фактичний магнітний момент, виміряний в експериментах, більшим, ніж теоретичний магнітний момент, розрахований за рівнянням Дірака, який дорівнює 2.
«За різницю [g-2]необхідно врахувати всі ці внески – як передбачені КХД [in the Standard Model of particle physics] Інші менші за розміром, але з’являються під час високоточних експериментальних вимірювань. «Ми добре знаємо багато з цих внесків, але не всі», — сказав Бойто.
Ефекти сильної взаємодії КХД неможливо обчислити лише теоретично, оскільки вони непрактичні в деяких енергетичних системах, тому є дві можливості. Одна з них використовується протягом деякого часу, і вона включає використання експериментальних даних, отриманих зі зіткнень електронів і позитронів, які створюють інші частинки, що складаються з кварків. Інший — ґратчаста КХД, яка стала конкурентоспроможною лише в поточному десятилітті та передбачає моделювання теоретичного процесу в суперкомп’ютері.
“Основна проблема в прогнозуванні мюона g-2 на даний момент полягає в тому, що результат, отриманий з використанням даних зіткнень електронів і позитронів, не узгоджується із загальним експериментальним результатом, тоді як результати, засновані на КХД гратки, відповідають. Це не так”, – сказав Бойто. «Ніхто не впевнений, чому, і наше дослідження пояснює частину цієї загадки».
Він і його колеги проводили своє дослідження спеціально для вирішення цієї проблеми. “У статті повідомляються результати низки досліджень, у яких ми розробили новий метод для порівняння результатів моделювання ґраткової КХД з результатами, заснованими на експериментальних даних. “Ми показали, що можна з високою точністю виділити внески обчислених дані в решітку – внески так званих континуальних діаграм Фейнмана», – сказав він.
Американський фізик-теоретик Річард Фейнман (1918-1988) отримав Нобелівську премію з фізики в 1965 році (разом з Джуліаном Швінгером і Шінічіро Томонагою) за його фундаментальну роботу з квантової електродинаміки та фізики елементарних частинок. Діаграми Фейнмана, створені в 1948 році, є графічним зображенням математичних виразів, які описують взаємодію цих частинок і використовуються для спрощення обчислень.
«У цьому дослідженні ми вперше отримали внески континуальних діаграм Фейнмана в так званому «вікні середньої енергії» з великою точністю. Сьогодні ми маємо вісім результатів для цих внесків, отриманих моделюванням ґраткової КХД, і всі вони є Крім того, ми показали, що результати, засновані на даних взаємодії електрон-позитрон, не узгоджуються з цими вісьмома результатами моделювання.
Це дозволило дослідникам визначити джерело проблеми та подумати про можливі шляхи вирішення. «Стало зрозуміло, що якщо експериментальні дані для двопіонного каналу були з якоїсь причини занижені, це могло бути причиною невідповідності», — сказав він. Піони — це мезони, частинки, що складаються з кварків і антикварків, що утворюються в результаті високоенергетичних зіткнень.
Фактично, нові дані (все ще знаходяться на стадії експертної перевірки) від Досвід CMD-3 Це дослідження, проведене в Новосибірському державному університеті в Росії, здається, показує, що дані найстарішого двійкового каналу могли бути недооцінені з причини.
Довідка: «Кероване даними визначення світлокваркової складової внеску середнього вікна в мюон g−2Дженесса Бентон, Діого Бойто, Мартін Голтерман, Олександр Кешаварзі, Кім Малтман і Сантьяго Пірес, 21 грудня 2023 р. Листи фізичного огляду.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803
Участь Бойто в дослідженні була частиною його проекту «Тестування стандартної моделі: прецизійна КХД і мюонний g-2», за який FAPESP нагородив його грантом Фази ІІ для молодих дослідників.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
